Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
` . 21~038s
TOLES FORTES EN ALLIAGES D'ALUMINIUM RESISTANT A LA FATIQUE ET PROCEDE
D'OBTENTION
L'invention est relative à des tôles fortes en alliages d'Al résistant à
la fatigue et à un procédé d'obtention de celles-ci.
On sait que les microporosités et les phases intermétalliques formées à
la coulée sont des sites d'initiation préférentiels des fissures de
fatigue; or la présence de celles-ci est inévitable en particulier dans
les produits métallurgiques de forte section obtenus par coulée verticaLe
conventionne1le.
Jusqu'ici, et afin de minimiser à la fois la densité et/ou la tailLe
maximale des microporosités et des phases intermétaLLiques, on a cherché
à couler des plaques très épaisses, afin de reboucher la plupart des
microporosités et de fragmenter la plupart des phases intermétalliques,
généralement concentrés au voisinage du grand plan médian de la plaque,
lors du laminage à chaud en utilisant des corroyages C Ei/Ef élevés, Ei
étant l'épaisseur initia]e et Ef l'épaisseur finale.
On sait que le procédé habituel d'obtention de tôles épaisses (épaisseur
> 10 mm) consiste en la coulée de plaques, leur scalpage, leur
homogénéisation, leur laminage à chaud. Les tôles ainsi obtenues sont
mises en solution et trempées, subissent éventuellement une traction
contrôlée pour réduire le niveau des contraintes internes et puis sont
muries (états T 351 ou T4) ou revenues aux états T 651 ou T 7x51, suivant
la nomenclature de l'Aluminum Association.
Ainsi par exemple pour des tôles ayant des épaisseurs finales Ef
comprises entre 100 mm et 150 mm, on part généralement de plaques ayant
une épaisseur après scalpage ~ 3,5 Ef, soit des corroyages C ? 3,5.
Le brevet FR 2529578 (=US 4511409) de la demanderesse et le brevet US
5277719 (ALCOA) décrivent un procédé pour augmenter la résistance à la
fatigue des tôles épaisses en alliage d'aluminium en diminuant les
microporosités, procédé comportant une étape initiale de forgeage.
Le second de ces brevets décrit un exemple dans lequel le taux de
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corroyage (forgeage et laminage) est de 2,6. Mais l'introduction d'une
étape de préforgeage impose un double réchauffage des plaques et leur
transport sur deux sites de production différents, ce qui entraîne une
augmentation significative du coût de transformation.
La présente invention est relative à des tôles ayant des épaisseursfinales ~ 110 mm. Elle concerne des tôles en alliage d'Al à durcissement
structural qui à l'état traité (trempe mûri, ou trempé et revenu, ou
trempé mûri et revenu) possèdent une bonne santé interne, ainsi qu'une
durée de vie en fatigue supérieure à 100.000 cycles en traction ondulée
(R = 0,1) sous une contrainte maximale égale à 50% (et même 60%) de la
limite élastique RpO,2.
Contrairement à l'enseignement de l'art antérieur, la demanderesse a
constaté, avec surprise, que des propriétés de fatigue nettement
améliorées pouvaient être obtenues en limitant le corroyage à des valeurs
C ~ 2,~ pour des tôles ayant des épaisseurs finales comprises entre 110
mm et 150 mm (et donc avec des épaisseurs de plaques scalpées ~ 360 mm),
et même à des valeurs C ~ 2 pour des tôles ayant des épaisseurs finales
comprises entre 150 mrn et 250 mm (et donc avec des épaisseurs de plaques
scalpées ~ 500 mm). Ce corroyage à chaud est obtenu de préférence
uniquement par laminage, sans forgeage préalable.
Il a été également constaté que les propriétés de tenue à la fatigue sont
encore améliorées si le métal liquide au moment de la coulée a été
convenablement dégazé par des procédés connus de l'homme du métier
(dégazage par du chlore ou par des produits contenant du chlore, poches
de dégazage à l'argon), de manière à ce que les teneurs en hydrogène dans
le métal liquide soient inférieures à 0,15 g/cm3. Il a été également
constaté que les propriétés de fatigue sont encore améliorées si au cours
du laminage à chaud les deux dernières passes de laminage (épaisseur
d'entrée-épaisseur de sortie) sont supérieures à 25 mm chacune.
Les produits selon l'invention résistant à la fatigue sont caractériséspar une bonne santé interne, déterminée par un contrôle U.S au voisinage
du plan médian des tôles épaisses.
L'appareil de contrôle utilisé est un émetteur-récepteur PR 02 de
Synergetics ou 5052 de Panametrics avec les réglages suivants :
21~0385
US focalisés : tache focale tà -6 dB ou mi-amplitude) en forme
d'ellipsoïde allongé ~ 100 ~m x 600 ~m
fréquence : 50 MHz
Palpeur à large bande (~f = 70%)
fo
Il est associé à des moyens d'acquisition numérique et de traitement dusignal, avec déplacement asservi du palpeur en xy au pas de 0,02 mm.
L'appareil est étalonné à l'aide d'un bloc étalon de même nature et dans
le même état de traitement thermique que le produit testé, comportant des
trous à fond plat 0 50 et 100 ~m, auquel on attribue conventionneLIement
l'amplitude maximale de 80% sur l'écran de contrôle, ce qui fixe le gain
global Go.
Le volume examiné, sur une tranche d'épaisseur maximaLe de 20 mm, est de
20 x 20 x 0,6 mm3.
Les mesures sont repérées sur plusieurs localisations pour obtenir des
valeurs statistiques fiables.
Les porosités sont définies par les pics dépassant un seuil, réglable, et
fixé légèrement au-dessus du bruit de fond.
On détermine :
- le nombre de porosités (de taille équivalente > 20 ~m, seuil de
détection) par unité de volume
- la moyenne arithmétique des amplitudes maximales Amax, Amax étant la
valeur maximum de l'écho sur une porosité,
- la moyenne arithmétique des amplitudes moyennes A, A étant égale à
1 ~ ~ A dx dy, x et y étant les distances sur
(xl-x2)(yl-y2)J~ J~
l'image de la porosité conside~ree (voir fig. 7).
Dans les conditions définies ci-dessus, Les produits selon l'inventionrespectent les limites suivantes :
Nombre de porosités i 800/cm3
Moyenne des Amplitudes moyennes A 5 22 %
Moyenne des Amplitudes maximales Amax ~ 50 %
Dans la suite du texte nous utiliserons les abréviations ou notations
2140385
-
suivantes:
L = sens long
TL = sens travers long
TC = sens travers court
R = contrainte maximal.e/contrainte minimale d'un cycle
lors des essais de fatigue
Kt = coefficient d'entaille
AK = variation du facteur d'intensité de contrainte lors
des essais de fatigue
da/dn = vitesse de propagation des fissures de fatigue
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, illustrés
par les figures 1 à 7.
La figure 1 représente une coupe macrographique suivant le plan L/TC
(long/travers court) d'une tôle de 118 mm d'épaisseur issue du format A
de l'exemple 1.
La figure 2 représente une coupe macrographique suivant le plan L/TC
d'une tôle de 125 mm issue du format B de l'exemple 1.
Les figures 3 et 4 représentent la densité et la répartition des phases
intermétalliques des tôles issues respectivement de format A et B de
l'exemple 1, plan L/TC.
Les figures 5 et 6 représentent dans un diagramme amplitude - nombre de
porosités/cm , les résultats des micrographies acoustiques réalisées sur
le produit de l'exemple 5, l'étalon étant un trou à fond plat ~ 100 ~m.
La figure 7 représente le principe de détermination des grandeurs Amax et
A.
Les alliages seront désignés suivant la nomenc:Lature de l'Aluminum
Association.
EXEMPL~ 1
Des plaques en alliage 7010 ont été élaborés d'une part en formats
` 2140385
.
d'épaisseur 420 mm après scaLpage (hors invention : format A) et d'autre
part en format d'épaisseur 260 mm après scalpage (selon l'invention :
format B). L'épaisseur de métal enlevée au scalpage est identique dans
les deux cas. La teneur en hydrogène dans le métal liquide est dans les
deux cas < 0,15 g/cm3.
Ces plaques scaLpées ont été homogénéisées dans des condit;ions ident;iques
(30 heures à 470C), puis laminées à chaud à 390C dans des conditions
identiques, avec la séquence suivante de passes de laminage :
Format A: 20-30-40-40-3~-34 mm
Format B: 22-23-26-28-32 mm
L'épaisseur finaJe des tôles est de 118 mm pour le format A, ce qui
conduit à un facteur de corroyage C de 3,56 pour le format A et de 125 mm
pour le format B, ce qui conduit à un facteur de corroyage C de 2,08 pour
le format B. On dispose d'un traceur du facteur de corroyage révélé par
le facteur de forme du grain métallurgique dans une coupe L/TC (figures 1
et 2). Le facteur de forme du grain de coulée est de l'ordre de 4 à 6
pour le format A et de l'ordre de 2 à 3 pour le format B.
Les deux tôles ont ensuite subi un traitement de mise en solution de 8
heures à 480C suivi d'une trempe à l'eau, d'une traction contrôlée de
2,1% et d'un traitement de revenu de 10 heures à 120C suivi de 8 heures
à 170C, de manière à leur conférer les caractéristiques de l'état T
7651.
Les deux tôles ont fait l'objet d'une caractérisation complete en fatigue
avec des essais "stair-case" à 105 cycles dans le sens TL à mi-épaisseur
avec R = 0,05. Les éprouvettes de fatigue de l'essai "stair-case" ont été
utilisées pour mesurer par analyse d'image sur coupe micrographique la
taille et le nombre des microposités. Les mesures par analyse d'image ont
été effectuées sur coupe polie dans un plan L - TC à mi-épaisseur, sous
grossissement x 100, avec examen de 150 champs de 1 mm x 1 mm, soit une
surface totale examinée de 150 mm2 par éprouvette. Le paramètre mesuré
est le Dmax, plus grande dimension dans le plan d'observation, pour tous
les Dmax ~ à 20 microns. Les résultats des caractérisations en fatigue
"stair-case" et des mesures de la densité surfacique des microporosités
sont rassemblées au Tableau 1. Les résultats de vitesses de propagation
~` 214038S
.
de fissures sont rassemblées dans le tableau II.
TABLEAU I
¦ ¦Epais.finale¦Contrainte à ¦ Nombre de ¦ Nombre de ¦ RpO,2 ¦
¦ Format Ide la Tôle ¦105 cycles ¦ porosités ¦ porosités ¦ TL
R H tmm) ¦ (MPa) I/cm2 ayant ~/cm2 ayant I (MPa)
H I I 1 20 < ¦Dmax >100 ~m ¦
I Dmax ~100 ~m
A-coulée 118 212 + 15 107 3 q55
92990
R
I A-coulée¦ 118 ¦ 210 + 5 1 110 ¦ 10 H455 H
1 92292
Il 11 1 1 l l I
I B-coulée¦ 125 1 246 + 5 1 67 ¦ O 1453 ¦
H 93193 1 1 1 1 I H
11 111
TABLEAU II
Epaisseur finale ¦ da/dN à lOMPa~m¦ da/dN à 20MPa~m
Format de la tôle I I H
(mm) (mm/cycle) (mm/cycle)
I
A-coulée 92990 118 -~ -3
1,8 10 10
11 ~ 11
B-coulée 93139 R 125 1 -4 H -3
H lO I lO
U 11 b
Il apparaît clairement à l'examen de ces résultats que l'utilisation du
2140385
. .
format de coulée selon l'invention (Format B) permet d'améliorer très
significativement le niveau de contrainte admissible à 10 cycles et la
vitesse de propagation des fissures da/dn à ~K = 10 MPa ~m. Cette
amélioration est corrélée à une diminution de l'ordre de 40% des
porosités ayant des Dmax compris entre 20 Um (limite de détection) et
100 Um, et à la disparition des porosités ayant un Dmax ~ 100 Um.
Les figures 3 et 4 montrent la taille et la répartition des
intermétalliques dans le cas des deux formats. On constate une taille et
une densité d'intermétalliques réduites dans le cas du format B.
EXEMPLE 2
Des plaques en alliage 7050 ont été élaborées d'une part en formats
d'épaisseur 420 mm après scalpage (hors invention : format A) et d'autre
part en format d'épaisseur 260 mm après scalpage (selon l'invention :
format B). L'épaisseur de métal enlevée au scalpage est identique dans
les deux cas. La teneur en hydrogène dans le métal est dans les deux cas
0,15 g/cm3.
Ces plaques ont été homogénéisées dans des conditions identiques (16
heures à 475C), puis laminées à chaud avec la séquence suivante des 2
dernières passes de laminage :
Format A 28 mm/32 mrn épaisseur finale 204 mm
Format B 34 mm/34 mm épaisseur finale 204 mm
Ceci conduit à un facteur de corroyage C de 2,05 pour le format A et de
1,27 pour le format B.
Les deux tôles ont ensuite subi un traitement de remise en solution de 20
heures à 478C suivi d'une trempe à l'eau, une traction contrôlée de 1,6%
et un traitement de revenu de 6 heures à 120C suivi de 21 heures à 165C
de manière à leur conférer les caractéristiques de l'état T 7451.
Les deux toles ont fait l'objet d'une caractérisation en durée de vie en
fatigue sous 242 MPa; R = 0,1; Kt = 1. Les moyennes logarithmiques de
durée de vie sur 8 éprouvettes prélevées dans le sens TL à mi-largeur et
mi-épaisseur des tôles sont regroupées dans le Tableau III, ainsi que le
2190385
. ~
nombre maximum de porosités par cmZ. A cet état la limite élastique est
de 411 MPa dans le sens TL pour la tôle issue du format B (selon
l'invention) et de ~20 MPa dans le sens TL pour la tôle issue du format A
(hors invention).
2190385
TABLEAU III
Epaisseur finale Moyenne Nombre maximum RpO,2
Format de la tôle logarithmique de porosités/ TL
(mm)de durée de (cm2) (MPa)
vie
(en cycles)
A-coulée 96343 204 71000 7 ~20
B-coulée 96381 204 118000 4 411
Il apparaît clairement à l'examen de ces résultats que l'utilisation duformat de coulée selon l'invention (format B) permet d'améliorer très
significativement le niveau de durée de vie en fatigue et de réduire la
densité des microporosités.
EXEMPLE 3
Quatre plaques en alliage 7010 ont été élaborées en format d'épaisseur
260 mm après scalpage (selon l'invention : format B). Les teneurs en
hydrogène dans le métal coulé et les valeurs des dernières passes de
laminage sont reportées au Tableau V. Les limites élastiques et la limite
de fatigue à 10 cycles ont été mesurées à l'état T7651 et figurent au
Tableau V (sens TL).
TABLEAU IV
Format H2 2 dernières Porosités/cm2 Contrainte de6 RpO,2
(g/cm3) Passes (mm) (> 20 ~m) rupture à 10 TL
cycles (MPa)(MPa)
B/1 0,3 7/5 109 115 + 5,9 446
B/2 0,3 17/16 90 112 + 3,8 443
B/3~ 0,15 6/5 16 200 + 26,1 451
B/4~ 0,15 19/18 7 215 + 11,3 455
L'effet de la teneur en hydrogène est très significatif, l'effet despasses rebouchantes au laminage est moins marqué et sensible seulement
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sur les faibles niveaux d'hydrogène.
EXEMPLE 4
Quatre plaques en alliage 7050 ont été élaborées en format d'épaisseur
260 mm (selon l'invention : format B).
Deux de ces plaques ont été élaborées avec un lit de fusion ne comportant
pas de copeaux recyclés, les deux autres plaques ont été élaborées avec
un lit de fusion comportant 10% de copeaux recyclés.
Ces plaques ont été transformées selon la gamme décrite dans l'exemple 2,
et conduites jusqu'à des épaisseurs finales de 200 mm et 150 mm. Les
moyennes logarithmiques de durée de vie en fatigue sous 242 MPa, R = 0,1,
Kt = 1 à l'état T 7~51 ont été mesurées dans chaque cas. I,es résuLtats
sont regroupés dans le Tableau Vl.
TABLEAU V
Repère Teneur en copeaux Epaisseur Moyenne RpO,2
du lit de fusion finale logarithmique TL
de durée de vie (MPa)
(%) (mm) (cycles)
201 0% 200 118000 411
202 0% 150 145000 436
203 10% 200 93000 413
204 10% 150 112000 447
Nous avons utilisé dans ce cas la technique de caractérisation desporosités par ultrasons à 50 MHz comme décrit ci-dessus.
Les résultats obtenus sont groupés à la figure 5. On vérifie bien en
comparant les domaines caractéristiques 201 et 203 un effet marqué de l~
composition du lit de fusion pour les tôles de 200 mm d'épaisseur, le
produit 201 sans copeaux présentant le nombre de porosités le plus faible
corrélé au niveau de fatigue le plus élevé. Cette différence est atténuée
pour le moindre nombre de porosités sur des tôles de 150 mm d'épaisseur
(comparaison des domaines caractéristiques 202 et 204) du fait de
l'écrouissage plus élevé. Cependant, le niveau de fatigue du produit 202
reste significativement plus élevé que celui du produit 204, confirmant
l'importance de la qualité du lit de fusion.
