Le présent mémoire fait partie d'un projet de recherche d'envergure élaboré par la chaire industrielle Alcan-UQAC sur la solidification et la métallurgie de l'aluminium (CSMA), portant sur la fissuration à chaud des alliages d'aluminium coulés en régime semi continu. La modélisation de la microstructure a été réalisée à partir d'un modèle mathématique développé par un chercheur de la CSMA et de la simulation de la solidification d'un alliage Al-4.5%Cu; les résultats des simulations ont été ajustés et validés à l'aide de données expérimentales pertinentes. L'information fournie par le modèle de microstructure, tel le champ de température, l'évolution de la fraction solide, la grosseur et la morphologie des grains, est essentielle à toute étude théorique portant sur la fissuration à chaud. De manière à prédire la susceptibilité à la fissuration à chaud durant la solidification, deux critères ont été introduits séparément dans le modèle microstructural. Le critère développé par Lahaie et Bouchard (LB) est basé sur le comportement idéalisé d'un corps à l'état semi ou quasi solide, alors que celui de l'équipe Rappaz-Drezet-Grenaud (RDG) considère la diminution significative de pression à l'intérieur de la zone critique semi solide, lorsqu'une pore à tendance à se former dans le réseau de dendrites, sous l'influence du changement de volume et des contraintes thermiques associées au processus. Dans le modèle idéalisé de LB, on considère le comportement visqueux et les forces de capillarité du liquide résiduel qui entoure les grains pour évaluer les conditions de déformations critiques et les contraintes de rupture de l'assemblage quasi-solide. Pour un alliage donné, la déformation critique dépend principalement de la fraction solide, des conditions de solidification et du taux de déformation. Nos simulations ont permis d'identifier les conditions de solidification qui peuvent conduire à la formation de criques; elles ont aussi été utilisées pour analyser la susceptibilité à la fissuration à chaud d'un alliage Al-4.5%Cu sous différentes conditions de solidification. Pour vérifier la pertinence du modèle microstructural développé et des critères de fissuration suggérés, de même que pour valider le comportement d'un alliage Al-Cu en cours de solidification, quelques expériences ont été réalisées sur un simulateur reproduisant les conditions de solidification de la croûte d'un lingot industriel coulé en régime semi continu. Les déformations sous l'effet d'une charge croissante ont été mesurées directement sur la surface du mini lingot expérimental, dont la croûte était quasi ou complètement solide. Le phénomène de fissuration fut provoqué sous ces conditions particulières de coulée et de contraintes. Les résultats anticipés par la modélisation mathématique furent comparés à ceux obtenus expérimentalement. Les écarts parfois importants ont donné lieu à une discussion qui a permis de mettre en lumière la faiblesse des critères de fissuration proposés et de suggérer de nouvelles pistes plus prometteuses. L'utilisation du critère LB dans le modèle microstructural conduit à des contraintes de rupture du même ordre de grandeur que celles mesurés expérimentalement. En améliorant le modèle LB, notamment en introduisant des paramètres réalistes de distribution spatiale de la fraction solide, tel que récemment proposé par un co-directeur du présent mémoire, on obtient une meilleure corrélation entre la déformation critique prédite par la modélisation et celle observée expérimentalement. Les simulations réalisées en faisant appel au critère de fissuration proposé par RDG indiquent que cette approche peut être intéressante pour étudier la formation de criques dans la région centrale d'un lingot cylindrique. Cependant, d'autres travaux sont requis pour indiquer si ce critère est applicable à la fissuration à chaud dans la croûte d'un lingot conventionnel coulé en régime semi continu. Des voies nouvelles sont suggérées pour améliorer notre compréhension des mécanismes de fissuration à chaud des alliages d'aluminium.

Les réseaux de transmissions électriques et de télécommunications des pays froids sont soumis à des conditions météorologiques extrêmes caractérisées par des tempêtes de givre ou de verglas. En janvier 1998, la région de Montréal (Québec, Canada) a été paralysée par une tempête de verglas d'une durée exceptionnelle entraînant la rupture mécanique de nombreux câbles de transport d'électricité et même de lignes. Un site de givrage naturel comportant deux lignes électriques expérimentales sur le Mont Valin, au nord de Chicoutimi (Québec, Canada), fournit une base de données contenant douze saisons de givrage, de la saison 86-87 à la saison 97-98. Ces lignes expérimentales ne sont pas alimentées en courant électrique. La première ligne installée sur le site est un câble témoin d'une portée de 31,4 mètres. La seconde, appelée ligne expérimentale, est composée d'un câble de garde, d'un câble Bersimis et d'un faisceau de quatre conducteurs Bersimis. Sa portée est de 96,515 mètres. Chaque saison de givrage se décompose en événements de glace atmosphérique, un événement pouvant comprendre trois phases successives: une phase d'accrétion de la glace, une phase de maintien de la glace et une phase de délestage de la glace. La phase de maintien de la glace est un concept nouveau qu'il faut définir clairement à l'aide de critères. Cette phase caractérise l'état de stabilité de la glace qui se maintient de façon aléatoire sur les câbles. En général, cette phase est la plus longue des trois phases; elle peut durer de quelques heures à quelques mois. Nous distinguons habituellement trois grands types de glace d'origine atmosphérique susceptibles d'entraîner des surcharges importantes sur les lignes aériennes par dépôt et formation éventuelle de manchons autour des conducteurs : le givre, le verglas et la neige mouillée. Dans l'atmosphère, les nuages, constitués de très petites gouttelettes d'eau et parfois de cristaux de glace, sont à l'origine de la formation de la glace atmosphérique. Sur le site du Mont Valin, les câbles sont principalement recouverts de dépôts de givre et de verglas, parfois de neige mouillée. La neige mouillée doit être différenciée de la neige sèche. Pour le verglas et le givre, la rigidité en torsion d'un conducteur ou d'un câble a un effet sur la quantité de glace qui peut s'y déposer et sur la forme du manchon de glace. Sur un conducteur toronné, la rigidité en torsion du conducteur influence la forme axiale ou cylindrique de l'accumulation de neige alors que la rigidité en torsion n'a aucun effet sur un conducteur lisse recouvert de neige. Des critères ont été définis afin d'identifier le début et la fin de la phase de maintien de chaque événement des douze saisons de givrage et afin d'identifier les différents types de glace (givre, verglas, neige mouillée) et les mélanges de ces types de glace présents sur les câbles pendant la phase de maintien. Dans le cas des mélanges, l'ordre successif de formation de chaque type de glace (givre, verglas, neige mouillée) a été pris en compte. L'utilisation de ces critères a permis de créer une base de données sur Excel pour chaque type de câble, donc pour le câble Bersimis, le câble du faisceau, le câble de garde et le câble témoin. Ces données se rapportent à la phase de maintien et à la charge maximale atteinte pendant la phase de maintien pour 75 événements du câble Bersimis, 75 événements du câble du faisceau, 85 événements du câble de garde et 62 événements du câble témoin. Quatorze mélanges ont été identifiés. Une analyse de régression multiple a été réalisée sur la charge de glace maximale des événements pendant la phase de maintien en fonction des variables suivantes : le type de glace ou de mélange correspondant à la charge maximale, la durée entre le début de la phase de maintien et l'instant où la charge maximale est atteinte, la charge de glace en fin de phase d'accrétion et le taux d'accrétion moyen pendant la phase d'accrétion. Le résultat attendu est de savoir, à partir de l'analyse de régression linéaire, quels paramètres influencent le plus la formation de la charge maximale d'un événement de glace atmosphérique. Une description statistique de la charge maximale a aussi été effectuée par type de câble et par type de glace et de mélange. La phase de maintien a été analysée en considérant les paramètres suivants : les types de glace et les mélanges présents sur les câbles pendant la phase de maintien, la température moyenne de l'air pendant la phase de maintien, la variation de la charge de glace pendant la phase de maintien, la vitesse moyenne et maximale du vent perpendiculaire à la ligne expérimentale pendant la phase de maintien, la durée de la phase de maintien, les délestages de glace pendant la phase de maintien et les types de délestages en fin de phase de maintien. En conclusion, l'analyse de régression a montré que le type de glace ou de mélange correspondant à la charge maximale n'a pas d'influence sur la valeur de la charge maximale. La durée de la phase de maintien diffère d'un câble à l'autre. Ceci est lié au fait que les charges de glace maximales et les délestages de glace différent d'un câble à l'autre. L'analyse statistique est un outil très intéressant qu'il faut savoir interpréter avec précaution en tenant toujours compte des phénomènes physiques qui se rapportent au sujet traité.

La filtration de l'aluminium liquide est l'étape critique du processus de purification du métal avant la coulée en lingots. La filtration de l'aluminium permet d'éliminer les impuretés solides (inclusions), non métalliques, de très petites tailles, qui pourraient être la cause de trous ou de déchirures dans la production de fils ou de feuilles minces. Effectuée à travers un filtre granulaire d'alumine tabulaire, la filtration est un procédé semi continu. Lorsque le processus est arrêté, puis reparti, pour des raisons inhérentes au procédé ou même en période continue, un phénomène de relâche des inclusions capturées précédemment par le filtre granulaire peut survenir et affecter la qualité du métal produit. Une étude expérimentale sur la relâche d'inclusions sphériques de PVC par les filtres granulaires représentant ceux utilisés en industrie est menée. Grâce à un montage permettant l'utilisation de l'eau comme fluide porteur, la reproduction d'un système de filtration industriel est réussie puisque l'eau possède une viscosité cinétique qui est du même ordre de magnitude que celle de l'aluminium en fusion. Beaucoup d'études ont tenté d'exprimer le terme d'accumulation des inclusions dans plusieurs types de filtres. Cependant, peu de ces études tentent de prouver l'existence et tentent d'exprimer mathématiquement le phénomène de relâche en écoulement continu, encore plus rarement, en écoulement interrompu. Un modèle mathématique à une dimension d'écoulement à travers un filtre granulaire permettant de reproduire les courbes de concentration de sortie et de déposition totale a été créé afin de faire ressortir les expressions cinétiques des termes d'accumulation et de relâche en écoulement continu et en écoulement interrompu (la déposition totale étant la différence entre l'accumulation des inclusions de PVC sur les grains filtrants et la relâche par le filtre granulaire de ces mêmes inclusions en écoulement continu ou interrompu. Ce modèle utilise donc une géométrie elliptique pour représenter la forme des grains filtrants puisque c'est cette géométrie qui décrit le mieux le médium industriel. L'étude présente a pu, grâce aux courbes expérimentales et au modèle, déterminer s'il y a présence de relâche en écoulement continu et en écoulement interrompu sur une période de 7 heures, période représentant la capacité totale de fonctionnement du montage expérimental. Parallèlement à l'objectif d'exprimer la relâche en écoulement continu et en écoulement interrompu, une étude paramétrique qualitative permettant d'identifier les paramètres d'opérations favorisant le plus l'accumulation des inclusions et minimisant le plus possible la présence du phénomène de relâche en écoulement continu et en écoulement interrompu est menée. Il s'avère qu'une taille plus petite de grains filtrants favorise l'accumulation des inclusions en écoulement continu et interrompu et que des filtres granulaires plus longs minimisent la présence de la relâche surtout en écoulement interrompu. L'augmentation étudiée de la teneur en inclusions à l'entrée du filtre granulaire favorise plus l'accumulation qu'aux conditions standard et n'a pas d'influence directe sur le relâche en écoulement interrompu. Finalement, l'augmentation de vitesse de l'écoulement à tendance à influencer négativement l'accumulation en écoulement continu et en écoulement interrompu et influence également négativement la relâche en écoulement interrompu.

Les alliages aluminium-silicium (Al-Si) sont une importante classe de matériaux qui constituent la majorité des pièces d'aluminium coulées produites, dû à leurs propriétés supérieures et leurs excellentes caractéristiques de coulées. À l'intérieur de cette famille d'alliages, les alliages de fonderie Al-Si-Cu et Al-Si-Mg sont fréquemment employés dans les applications automobiles. Les alliages commercialement populaires 319 et 356, représentant ces deux systèmes d'alliages, furent sélectionnés pour étude dans le présent travail, avec pour but d'investiguer l'effet des intermétalliques du fer et des porosités sur la performance de l'alliage. Ceci fut exécuté à travers une étude des propriétés de traction et d'impact, celles-ci étant deux propriétés mécaniques importantes utilisées dans les calculs de conception. Le fer, à travers la précipitation des constituants intermétalliques de seconde phase, en particulier la phase en forme de plaquettes B-Al5FeSi, est nuisible aux propriétés des alliages. De même les porosités dues au gaz ou aux retassures dans les coulées sont nuisibles aux propriétés mécaniques. Par la détermination des éléments d'alliage, du processus de fonderie et des paramètres de solidification optimaux (viz., le contenu en Fe, la modification au Sr et le taux de refroidissement) requis pour minimiser les effets nuisibles des porosités et des intermétalliques du fer, et par l'étude de leur rôle sur le comportement des fractures, le mécanisme de fracture dans les alliages a pu être déterminé. Des coulées furent préparées à partir des fontes d'alliages industriels et commerciaux 319.2, B319.2 et A356.2, contenant des niveaux de Fe de 0.2-1.0 wt%. Des fontes modifiées au Sr (-200 ppm) furent aussi préparées pour chaque niveau de Fe. Les moules réfractaires refroidis aux extrémités utilisés ont donné une solidification directionnelle et une plage de taux de refroidissement (ou espace interdendritique) à l'intérieur de la même coulée. Des échantillons de traction et d'impact, machinés à partir de spécimens provenant des coulées, et sectionnés à diverses hauteurs au-dessus de l'extrémité refroidie, ont donné des espaces interdendritiques de ~23 à ~85 jim. Tous les échantillons furent soumis à un traitement thermique T6 avant les essais. Les essais furent exécutés en employant les machines d'essais Instron Universal et Instrumented Charpy. Les techniques de microscopie optique, d'analyse d'image, de SEM et de EPMA furent utilisées dans les analyses microstructurales et de fracture. Les résultats ont démontré que le taux de refroidissement le plus élevé (23 um d'espace interdendritique) est le paramètre le plus significatif contrôlant la dimension et la distribution de la phase B-Al5FeSi et des porosités, dans les alliages non modifiés 319.2 et A356.2. La modification au Sr est plus efficace dans la réduction de la dimension des plaquettes de phase p, à des bas niveaux de Fe, mais celle-ci augmente à la fois la fraction volumique des porosités et la dimension des pores de façon significative. L'alliage B319.2 contenant du Mg montre une réduction de la dimension des plaquettes de P due à sa transformation partielle en particules de script chinois Al8FeMg3Si6. Dans les alliages modifiés au Sr, une augmentation de la dimension des plaquettes P est encore observée à certains taux de refroidissement. La fraction volumique des porosités et la dimension des pores diminuent aussi avec l'addition de Mg. La ductilité des alliages est améliorée par l'augmentation simultanée du taux de refroidissement et de la réduction du contenu en Fe. La ductilité de l'alliage B319.2 est inférieure à celle de l'alliage 319.2 dû à la précipitation du Mg2Si, à la transformation partielle de B-Al5FeSi en Al8FeMg3Si6, et à l'interaction Sr-Mg qui diminue l'efficacité de la modification au Sr. L'alliage A356.2 affiche une ductilité beaucoup plus élevée que les alliages 319 pour un même niveau de Fe, dû à l'absence de la phase intermétallique CuAl2 dans le premier alliage. La modification au Sr améliore aussi à la fois la ductilité et la résistance en traction, et est utile dans le maintien d'une limite ultime cohérente dans les alliages 319, puisqu'une dispersion beaucoup moindre des valeurs de limite ultime est observée, peu importe leur source (expérimentale ou industrielle). Aucun effet apparent sur la limite élastique n'est observé. Le fer détériore la limite ultime dans les alliages expérimentaux non modifiés et les alliages industriels modifiés 319.2, B319.2 et A356.2. Des corrélations polynomiales du second degré sont obtenues entre la limite ultime et le contenu en Fe à tous les taux de refroidissement (R2 >0.8) pour la plupart des alliages; les alliages expérimentaux modifiés et les alliages industriels non modifiés 319.2, cependant ont montré une dispersion considérable de la limite ultime. La corrélation entre la contrainte et le contenu en Fe ou le taux de refroidissement est plus complexe: en général, la limite élastique augmente à la fois avec le taux de refroidissement et le contenu en Fe dans les alliages 319.2 (R2 >0.8). Dans les alliages B319.2, l'effet du taux de refroidissement n'est pas très apparent: Fe augmente la limite élastique dans les alliages expérimentaux mais diminue celle-ci dans les alliages industriels. Dans les alliages A356.2, les valeurs de la limite élastique sont distribuées à l'intérieur d'une plage étroite montrant une tendance à la baisse dans les alliages non modifiés et une tendance à la hausse dans les alliages modifiés. La dimension des plaquettes de B-Al5FeSi affecte la ductilité et la résistance en traction des alliages, les changements étant très perceptibles jusqu'à des longueurs (ou surfaces) de plaquettes p de -100 um (400 um2) dans les alliages 319 et de -70 um (300 um2) dans les alliages A356.2. Des corrélations de puissance et logarithmiques sont obtenues entre la ductilité et la dimension des plaquettes P (R2 >0.8). Dans les alliages A356.2, seules de faibles variations dans la dimension de la phase p peut être tolérée afin de maintenir des niveaux de ductilité satisfaisants. La diminution de la limite ultime avec la dimension des plaquettes P est plus prononcée dans les alliages 319.2 que dans les alliages B319.2 et A356.2. Aucune relation définie entre la dimension des plaquettes P et la limite élastique n'a pu être établie. La porosité est nuisible à la résistance en traction et à la ductilité des alliages. Bien que le paramètre de dimension maximum des pores caractérise le mieux les relations entre la porosité et les propriétés de traction, les valeurs de R2 obtenues montrent que cela n'est pas le facteur primaire contrôlant la ductilité et la résistance en traction. Aucune corrélation définie n'a pu être établie entre la porosité et la limite élastique. Des corrélations linéaires assez bonnes ont été obtenues entre le log de la limite ultime et le log de la déformation (%) pour tous les alliages, expérimentaux ou industriels, sous toutes les conditions (R2 : 0.6-0.93). L'utilisation de cette relation est recommandée au lieu de la relation entre la limite ultime et le log de la déformation (%) basée sur le concept d'index de qualité proposé par Drouzy et al.136 pour interpréter les propriétés de traction des deux systèmes d'alliages. Les propriétés d'impact sont aussi améliorées avec l'augmentation du taux de refroidissement et la réduction du contenu en Fe. Les alliages modifiés 319.2 montrent des relations de puissances et linéaires (à des bas/hauts taux de refroidissement), alors que les alliages non modifiés 319.2 et A356.2 montrent des corrélations linéaires, tous les alliages B319.2 montrent de corrélations de puissance, et les alliages modifiés A356.2 montrent des corrélations logarithmiques à tous les taux de refroidissement (R2 >0.95 dans tous les cas). Les propriétés d'impact obtenues au plus haut taux de refroidissement sont de loin supérieures à celles obtenues à des taux de refroidissement autres {cf. 12.4 J à 23 um d'espace interdendritique avec 4.88 J à 85 um d'espace interdendritique dans les alliages non modifiés 319.2). L'intermétallique B-Al5FeSi détériore les propriétés d'impact de façon significative, l'effet étant le plus apparent pour des dimensions des plaquettes P se situant à l'intérieur de la plage 30-150 um dans les alliages 319, et 10-50 um dans les alliages A356.2. Des corrélations assez bonnes ont été obtenues entre les porosités et les propriétés d'impact. En présence de Mg, l'alliage non modifié B319.2 montre une augmentation de l'énergie d'impact, particulièrement à des niveaux faibles (0.4%) en Fe et à des taux de refroidissement élevés (espace interdendritique 23-47 um). Le strontium est efficace dans l'amélioration de l'énergie d'impact, même à des niveaux élevés en Fe. L'amélioration est moins apparente dans les alliages B319.2, et très sensible au changement du taux de refroidissement dans les alliages 319.2. Les alliages A356.2 modifiés au Sr montrent des énergies d'impact du double de celles des alliages 319 soumis aux mêmes conditions dû à l'absence de la phase CuAl2 dans les premiers alliages. Une bonne relation inverse est obtenue entre la vitesse moyenne de fissuration et l'énergie d'impact, les plus hautes vitesses de fissuration étant observées dans les échantillons non modifiés obtenus à des contenus en Fe les plus élevés et aux taux de refroidissement les plus bas. Les essais d'impact sont plus sensibles aux variations dans la microstructure ou aux défauts de coulée que ne le sont les essais de traction. Les courbes d'énergie d'impact en fonction de la limite ultime montrent des relations exponentielles, tandis que les courbes d'énergie d'impact en fonction de la déformation (%) affichent des relations linéaires pour tous les d'alliages, modifiés ou non, et peu importe la composition de l'alliage. À de faibles niveaux de Fe et à des taux de refroidissement élevés (0.4% Fe, espace interdendritique de 23 um), l'initiation et la propagation des fissures dans les alliages non modifiés 319, se produisent par le clivage des plaquettes de B-Al5FeSi (au lieu de leur décohésion de la matrice). La morphologie des plaquettes (individuelles ou embranchées) est importante pour déterminer la direction de propagation de la fissure. Les fissures se propagent aussi par la fracture du CuAl2 non dissous ou d'autres intermétalliques de cuivre, aussi bien que par les particules de Si fragmentées. Dans les alliages 319 modifiés au Sr, les fissures sont majoritairement initiées par la fragmentation ou le clivage des plaquettes perforées de la phase j3, en addition à celles des particules grossières de Si et des intermétalliques de cuivre non dissous. Dans les alliages A356.2, les fissures sont initiées principalement par la fracture des particules de Si ou leur détachement de la matrice de Al, alors que la propagation des fissures a lieu par coalescence des particules de Si fracturées, excepté quand les intermétalliques de P-Al5FeSi sont présents, auquel cas ce dernier a préséance. Dans le cas de modification au Sr, les fissures se propagent par la liaison des particules de Si fracturées / détachées, aussi bien que par les intermétalliques B-fer fragmentés. Dans les échantillons exhibant de basses énergies d'impact, l'initiation et la propagation des fissures se produisent principalement par le clivage des intermétalliques de B-fer.

Le présent travail a été entrepris afin d'étudier le rôle des principaux paramètres du métal en fusion couramment appliqués dans les fonderies d'aluminium, tels que l'affinage de grain et la modification au strontium, de même que l'effet des éléments alliés mineurs sur la formation d'inclusion dans trois alliages Al-Si primaires largement utilisés, notamment A356, A319 et 4104, utilisant la technique Prefil (Pressure Filtration). L'appareil Prefil est l'une des techniques les plus récentes utilisées pour déterminer la propreté du métal en fusion des alliages de fonderie. En faisant passer environ 2.5 kg de métal en fusion à travers un filtre sous pression (10 psi), les inclusions/films sont concentrés dans la région au-dessus du filtre (les dimensions des pores peuvent varier de 0 à 123 um). Après le test, le métal solidifié au-dessus du filtre est sectionné, monté et poli pour fins d'examen métallographique. Puisque la qualité du métal en fusion est un aspect essentiel de la qualité des produits finis des fonderies et des centres de coulées, il est important que les classes mondiales d'opérations établissent des normes de mesure de la qualité du métal. Depuis des dizaines d'années et aujourd'hui encore, la propreté du métal a été largement supervisée en utilisant l'analyse métallographique des échantillons solidifiés. Ces échantillons peuvent être ou ne pas être filtrés. Une série de quatre-vingt neuf expériences a été conduite (utilisant une charge de 25 kg de matériel d'alliage frais à chaque expérience). La chambre de pression et le creuset de filtration de l'appareil Prefil sont chauffés à environ 300-350°C, afin de réduire la perte de chaleur lors du transfert du métal liquide du creuset de métal en fusion jusqu'au creuset de filtration. Aussi, la température de filtration devrait être suffisamment élevée de façon à éviter que ne se produise une sédimentation des inclusions dans la louche lors du transfert. Des échantillons Prefil contenant la partie de métal non filtrée (environ 5 mm d'épaisseur) en contact avec le filtre, ont été sectionnée, montée sur du Bakélite et polis pour fins d'examen métallographique. Les échantillons polis ont été examinés au microscope optique afin d'identifier les inclusions obtenues dans chaque cas. Le comptage des inclusions a été effectué utilisant la méthode du maillage. Les types et concentrations d'inclusions de même que les films d'oxyde produits dans ces alliages avant coulée ont été déterminés. Il appert que les principales inclusions dans ces alliages sont AI4C3, MgO et MgAl2O4 et des oxydes dispersés. La génération de films d'oxydes - associée avec l'usage de l'agitation mécanique pour dissoudre l'affineur de grain et/ou les additions de modificateur au métal en fusion - peut être évitée en utilisant le dégazage. Les résultats du Prefil démontrent qu'un temps de maintien prolongé et l'agitation du métal jouent un rôle significatif en augmentant la quantité d'inclusions dans le métal en fusion. Le dégazage utilisant de l'argon sec injecté au métal liquide à travers une roue motrice (vitesse 160 rpm) semble être la meilleure technique pour l'enlèvement des inclusions. Dans le cas des additions d'affineur de grain, le traitement de dégazage tend à augmenter la quantité d'inclusions de TiB2.

Dans les régions froides et montagneuses, la présence d'une pression atmosphérique plus faible ainsi que la présence de glace atmosphérique peuvent diminuer la performance électrique des isolateurs extérieurs utilisés dans les réseaux de transport d'énergie. Cette diminution de la performance électrique peut mener à des contournements d'isolateurs pouvant entraîner des interruptions partielles, voire totales, de la distribution électrique. Cette thèse a donc pour but d'étudier les processus et les mécanismes fondamentaux des contournements électriques d'isolateurs recouverts de glace polluée dans des conditions de pression atmosphérique faible. Cette étude contribuera à la compréhension du phénomène de contournement en haute altitude observé sur surface de glace polluée, au développement d'un modèle numérique de prédiction de la tension de contournement des isolateurs recouverts de glace et à la détermination des niveaux d'isolation externe des réseaux de distribution dans les régions froides en haute altitude. Pour mener à bien cette recherche, deux modèles physiques de glace ont été utilisés: un échantillon de glace de forme triangulaire et un isolateur réel court recouvert de glace en régime humide. Une série d'études expérimentales systématiques a été effectuée à l'aide d'une chambre de basse pression utilisée à l'intérieur d'une chambre climatique aux laboratoires de la chaire industrielle CIGELE à l'UQAC. Le processus de contournement sous basse pression atmosphérique sur surface de glace a été étudié en détail, et les paramètres associés ont été enregistrés en utilisant une caméra à haute vitesse et un système d'acquisition. Ces paramètres incluent la tension appliquée, le courant de fuite, le temps de contournement, la longueur d'arc et le rayon de racine d'arc. Par la suite, l'influence des facteurs spécifiques tels que la pression atmosphérique, le type et la polarité de la tension appliquée, la conductivité de l'eau formant la glace ainsi que le profil de l'isolateur sur les performances de contournement des deux modèles physiques utilisés ont été déterminés, ainsi que leur influence sur les exposants m (la valeur de m indique le degré de l'influence de la pression atmosphérique sur la tension de contournement) correspondants à chaque modèle. En utilisant une électrode de mesure, les caractéristiques de tension-courant de l'arc électrique se propageant à la surface de la glace en condition de basse pression atmosphérique ont été étudiées sous des tensions CC et CA. Les constantes A, n d'arc ainsi que la chute de tension aux électrodes ont été déterminées pour des conditions diverses. L'étude des résultats expérimentaux et les analyses théoriques ultérieures ont permis de proposer les mécanismes physiques spécifiques à la propagation de l'arc à la surface de la glace. Ces mécanismes physiques se traduisent par : l'ionisation thermique de l'air devant le pied de l'arc entraînant un mouvement de l'arc; la force électrostatique avec un effet auxiliaire d'entraînement de la propagation de l'arc et enfin, le claquage électrique ne se produisant que pendant le saut final du contournement. De plus, une diminution de la tension de contournement a aussi été observée dans le cas des isolateurs recouverts de glace en condition de haute altitude. Ainsi, les quatre propositions d'explication de ce phénomène sont les suivantes: une diminution des caractéristiques de gradient de tension-courant d'arc, une augmentation de la densité du courant dans le pied d'arc, une diminution de la chute de tension des électrodes et finalement, les phénomènes d'arc flottant. Basées sur les résultats et les déductions de cette étude, plusieurs recommandations ont été proposées pour de futures études.

L'alliage A38O.1, un alliage d'aluminium-silicium-cuivre-magnésium (série 300), est produit à partir de rebuts d'aluminium et mis en forme sous pression. Cet alliage qui est particulièrement utilisé dans le domaine automobile peut subir des traitements thermiques pour obtenir une combinaison optimale de résistance et de ductilité. La composition chimique, la procédure observée lors de la fusion du métal, la technique de mise en forme, les défauts et le type de traitement thermique déterminent les propriétés mécaniques de cet alliage. Comme l'alliage A380.1 est obtenu à partir de métal recyclé, il contient une quantité variable de plusieurs éléments. Afin d'obtenir la composition souhaitable pour chacun de ces éléments, différents procédés coûteux et souvent dommageables pour l'environnement, tel le nettoyage au chlore, sont utilisés. Pour contrer ce problème de pollution, un moyen efficace pour éviter tous ces procédés serait certainement le bienvenu. Le magnésium est un des éléments dont la proportion moyenne doit être inférieure ou égale à 0,10 % pour répondre aux normes de l'industrie nord-américaine. Toutefois certaines études ont démontré qu'une quantité supérieure de magnésium influençait peu les caractéristiques mécaniques de l'alliage sauf peut-être celle de la ductilité. Donc, en justifiant l'augmentation du titre en magnésium dans cet alliage, on pourrait éviter l'application de traitements malsains tant sur le plan économique qu'environnemental. L'objectif de ce travail est de déterminer l'impact sur les propriétés mécaniques de posséder une proportion en magnésium supérieure au taux standard nord-américain de 0,10 % pour l'alliage A380.1. Des taux respectifs de 0,10 %, 0,30 % et de 0,50 % en magnésium sont utilisés pour constater l'effet sur les principales propriétés mécaniques à savoir: la limite élastique, la limite ultime et le pourcentage d'allongement à la rupture. Une grande partie de la recherche est également axée sur l'effet de cet élément (magnésium) sur la résistance en fatigue dudit alliage. Cette section comprend aussi l'analyse du rôle des défauts de surface (joint du moule) et des défauts internes (porosité) sur la résistance. Les propriétés mécaniques de traction sont analysées dans le but d'optimiser les traitements thermiques T6 (mise en solution, trempe et vieillissement artificiel) et T7 (mise en solution, trempe et survieillissement). Par la suite, l'influence de plusieurs paramètres est évaluée au moyen d'essais de traction et de la micrographie optique. La résistance en fatigue est observée en faisant des essais en flexion rotative. Une fois de plus, cette étude est réalisée dans le but d'optimiser les traitements T6 et T7 de même que pour vérifier l'effet des défauts de surface et des défauts internes. Pour examiner la contribution de ces défauts de même que pour les quantifier, des fractographies prises à l'aide d'un microscope électronique à balayage sont utilisées. Autant pour la traction que pour la fatigue, les paramètres qui nous intéressent plus spécialement sont: l'addition de magnésium, la température et le temps de vieillissement. De plus, pour la fatigue uniquement, la porosité est ciblée. En ce qui concerne les résultats, on peut affirmer notamment qu'un taux de 0,3 % de magnésium ne les altère pas, ni en traction ni en fatigue, et qu'un taux de 0,5 % de magnésium entraîne la formation de phases complexes sujettes à la fusion instantanée. De plus, on note que les propriétés de traction fluctuent selon les zones de Guinier-Preston apparues lors des traitements thermiques tandis que celles de fatigue diminuent au fur et à mesure que le taux de magnésium augmente.

Un modèle mathématique d'un four de coulée d'aluminium est utilisé afin de simuler le four réel. L'algorithme de calcul est construit en tenant compte des différents modes opératoires rencontrés sur un tel four. Le modèle mathématique de la stratégie de contrôle est bâti à l'aide d'un logiciel de programmation d'un automate programmable industriel. La stratégie est d'abord vérifiée et testée sur le modèle mathématique du four en laboratoire puis testée sur un vrai four en milieu industriel. Une stratégie de contrôle proportionnel et intégral est présentement appliquée au four. La modification de cette stratégie de contrôle est faite de façon à créer une auto correction de l'un des paramètres de contrôle (Gain proportionnel, Kp) de façon à modifier celui-ci en fonction d'une relation entre la température du métal et celle du toit du même four, (gain auto adaptatif). La validation expérimentale du contrôle est faite pour un four d'aluminium basculant de quatre-vingt dix (90) tonnes. Finalement, la stratégie de contrôle auto adaptative est utilisée pour la recherche d'un mode opératoire plus court visant l'atteinte d'une température désirée pour l'étape suivante opérationnelle, la coulée. Par la suite, une fonction de coût à minimiser, définie comme le temps d'atteinte plus court d'une température cible aura pour effet d'augmenter la productivité du four. Claude Fillion, étudiant Rung Tien Bui, dir. de recherche Jean Perron, co-dir. de recherche

L'objectif principal de cette recherche était de calculer les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste standard recouvert de glace accumulée en régime humide. En particulier, cette recherche visait à accroître les connaissances sur les phénomènes précédant les contournements électriques des isolateurs de poste qui se produisent généralement en période de fonte. Comme il était très difficile de mesurer de façon précise la distribution du potentiel et surtout du champ électrique le long d'un isolateur de poste glacé, l'utilisation d'une méthode numérique par l'intermédiaire d'un logiciel commercial s'est avérée être une des meilleures solutions compte tenu de la difficulté des mesures. À cet effet, la Méthode des Éléments Finis de Frontière était la mieux adaptée aux contraintes imposées par le problème. De plus, cette méthode numérique avait été appliquée avec succès dans le calcul du potentiel et du champ électrique autour des isolateurs pollués dont le comportement électrique est semblable de celui des isolateurs recouverts de glace. Par conséquent, des simulations numériques ont été entreprises en 2-D et 3-D. Les simulations 2-D ont servi principalement de base et de soutien aux simulations tridimensionnelles puisqu'il a fallu commencer par une modélisation simple de l'isolateur de poste recouvert de glace compte tenu du fait qu'il n'existait pas, à notre connaissance, d'études numériques portant sur le sujet de cette recherche. La modélisation 2-D de l'isolateur recouvert de glace s'est faite suivant le plan de symétrie séparant l'isolateur et le dépôt de glace en deux parties égales puisqu'il a été supposé que la glace s'accumulait sur la moitié de l'isolateur. Ainsi, les simulations 2-D ont permis de mettre en évidence l'influence d'un film d'eau conducteur et de sa conductivité, l'influence de la position d'un intervalle d'air le long de l'isolateur, l'influence de la longueur de l'intervalle d'air et la présence d'un arc électrique partiel le long d'un intervalle d'air sur les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste recouvert de glace. Cependant, la comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux a démontré que la modélisation 2-D n'était pas tout à fait adaptée à la géométrie de l'isolateur puisque l'erreur relative moyenne était d'environ 22,5 %, d'où la nécessité d'effectuer les simulations en 3-D afin d'améliorer la précision des résultats. Pour les simulations 3-D et pour des fins de simplification, il a été supposé que la glace s'était accumulée sur la totalité de l'isolateur, c'est-à-dire sur 360°. Cette considération faite, la modélisation d'une portion de 15° de l'isolateur de poste recouvert de glace a suffi à simuler le comportement général de ce dernier. La comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux ont permis de démontrer la validité du modèle tridimensionnel. Ainsi, une erreur relative moyenne entre les résultats expérimentaux et numériques de 2,6 % a été obtenue démontrant ainsi la fiabilité et la pertinence de la M.E.F.F dans la prédiction de la distribution du potentiel et du champ électrique le long d'une géométrie aussi compliquée qu'est un isolateur de poste recouvert de glace. Les simulations 3-D pour une période d'accumulation et pour deux périodes de fonte ont été réalisées d'après les observations expérimentales réalisées en chambre climatique et à partir desquelles les différents modèles ont été élaborés. De plus, l'étude de l'influence des intervalles d'air ainsi que la présence d'un arc électrique partiel sur la distribution du potentiel et du champ électrique a été entreprise. Les simulations d'une période d'accumulation ont permis de démontrer que la position des intervalles d'air était principalement déterminée par la distribution du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur de poste propre. En effet, pour l'isolateur propre, une chute de tension importante a été observée le long des trois premières jupes situées près de l'électrode H.T, c'est-à-dire exactement à l'endroit précis où se sont formés les intervalles d'air. De plus, ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence du film d'eau ainsi que la quantité en eau servant à l'accumulation qui est principalement responsable de la création de l'intervalle d'air situé entre la dernière jupe et l'électrode à la terre. En période de fonte, la présence d'un film d'eau très conducteur à la surface du dépôt de glace entraîne une forte chute de tension le long des différents intervalles d'air. Pour de fortes conductivités du film d'eau, environ 96 % de la tension appliquée se retrouve aux bornes des différents intervalles d'air et ce, indépendamment de leur nombre et de leur longueur. Cependant, plus la longueur est importante, plus le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, diminue. Lorsque la chute de parties de glace survient, cela modifie considérablement les distributions du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur glacé. En comparant les deux périodes de fonte simulées, on a pu observer que le nombre d'intervalles d'air présents après la chute de glace avait un rôle important dans le processus de redistribution de la tension appliquée le long des intervalles d'air, pouvant ainsi inhiber ou provoquer le contournement de l'isolateur. Cette remarque est aussi valide dans le cas où un arc électrique partiel est présent le long d'un des intervalles d'air. Pour un dépôt de glace présentant deux intervalles d'air situés respectivement près des électrodes, la position d'un troisième intervalle d'air intercalé entre ces deux derniers n'a pas d'influence sur le champ électrique moyen Egm. C'est uniquement la chute de tension le long de chaque intervalle d'air qui se modifie en fonction de la position du troisième intervalle d'air. De plus, il a été démontré que pour une même distance d'arc répartie sur un, deux et trois intervalles d'air, le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, variait peu.

Cette thèse examine le bruit de photon lors de la détection d’impulsions provenant d’un peigne de fréquences. En premier lieu, nous faisons abstraction du mécanisme physique produisant le bruit de photon, réduisant son effet à celui d’une source de bruit additif non-stationnaire (avec des statistiques variables dans le temps). Ce modèle de traitement de signal est ensuite utilisé dans l’analyse de deux expériences importantes pour l’utilisation d’un peigne de fréquence comme mécanisme de compteur de fréquence dans une horloge optique : la conversion du train d’impulsions optiques en un train d’impulsions électriques, et le battement hétérodyne entre un peigne de fréquences et un laser à onde continue. Nous démontrons en premier lieu que le bruit de photon lié à la photodétection produit principalement du bruit d’amplitude, et une quantité presque négligeable de jigue aléatoire de temps sur le signal électrique détecté. Des résultats expérimentaux viennent confirmer nos prédictions théoriques. Nous explorons ensuite les limites de ce mécanisme en considérant la physique de la photodétection, ce qui révèle un étalement du temps de transit qui peut affecter la jigue aléatoire produite par cette conversion. Dans un deuxième temps, nous démontrons que la nature pulsée du peigne de fréquences peut être utilisée pour donner un rapport signal-sur-bruit plus élevé que celui qui est prédit en considérant seulement le battement d’un seul mode du peigne avec le laser à onde continue. La première technique développée, le GATOR, rejette une grande partie du bruit de photon produit par le laser à onde continue afin d’améliorer le rapport signal-sur-bruit lorsque la puissance du peigne est faible. Avec cette technique, nous démontrons un rapport signal-sur-bruit 100 fois plus élevé que la limite en admettant l’utilisation d’un seul mode. Nous démontrons ensuite un raffinement de cette technique qui utilise le glissement de fréquence de l’impulsion optique afin d’utiliser efficacement tous les photons du peigne dans une bande passante déterminée. Cette technique nous a permis de produire un battement avec le plus grand rapport signal-sur-bruit parmi les résultats dans la littérature, 68.3 dB, obtenu en normalisant dans une bande passante commune de 100 kHz. / This thesis is a study of shot noise in the photodetection of pulses from a frequency comb. We first make abstraction of the physical mechanism of shot noise to reduce its effects to that of an additive, non-stationary (meaning with time-varying statistics) noise source. This signal processing model is then used to analyze two experiments of importance for the operation of optical clockwork based on frequency combs: the conversion of the optical pulse train into an electrical pulse train by a photodetector, and the heterodyne (or beating) experiment between a frequency comb and a continuous wave laser. For the detection of the optical pulse train, we show that photodetection shot noise yields mostly amplitude noise and vanishingly low timing jitter on the electrical signal. Experimental results confirm our theoretical predictions. We then explore the limits of this jitter when considering practical photodetection physics. This reveals a transit time spread parameter that can affect the jitter produced by this conversion. Next, we turn our attention to the heterodyne experiment. We show that the pulsed nature of the frequency comb can be exploited in different schemes to yield higher signal-to-noise ratio (SNR) that is predicted by the use of the beating of a single comb mode with the continuous wave laser. The first technique that we develop, the GATOR, gates out shot noise from the continuous wave, and improves the SNR in the case of low comb power. Using this technique, we have demonstrated a factor of 100 higher SNR than the single-mode limit. We then show a further refinement of the technique which uses chirping of the optical pulse to effectively use all the available photons from the comb in a given bandwidth. This technique enabled us to produce the beating with the highest SNR reported in the literature of 68.3 dB, when normalizing to the common detection bandwidth of 100 kHz.