Comme les autres métaux, l'aluminium est rarement utilisé à l'état pur. Différents éléments sont additionnés à l'aluminium afin de modifier ou améliorer les propriétés mécaniques. Ainsi, environ 85 à 90 % des pièces produites avec ce métal sont constituées d'alliages aluminium-silicium. Ces alliages offrent une excellente coulabilité et peuvent être usinés et soudés. En plus du silicium, il y a d'autres éléments qui peuvent être alliés à l'aluminium. Un de ceux-ci est le titane. La présence de cet élément a des conséquences sur la solidification, la microstructure (affinage des grains, etc.) et les propriétés mécaniques. Le but de ce travail est d'étudier l'affinage des grains de l'alliage A356.2 en présence de titane de même que les différents effets de la présence ou de l'augmentation de la concentration de cet élément dans l'alliage. Comme pour la plupart des éléments d'alliage, le titane affine (réduit) la taille des grains. La réduction de la taille des grains est toutefois plus prononcée avec cet élément. En général, la réduction de la taille des grains est inversement proportionnelle à la concentration en titane. À partir d'une certaine concentration, la taille des grains devient minimale. De plus, en présence de titane, il y a formation de plaquettes de Ti(Al,Si)3. Ces plaquettes dissolvent une petite quantité de silicium. De plus, la surchauffe peut changer la morphologie de ces plaquettes. Lorsque la concentration est faible, la surchauffe augmente la taille des grains. Il est possible d'observer par analyse thermique certains phénomènes qui résultent de la présence de titane. Ainsi, l'accroissement de la concentration en titane entraîne une hausse de la température du début de la solidification de l'aluminium. La hausse exacte dépend de la concentration. Le titane affecte aussi d'autres paramètres de la courbe de solidification (AT, etc.).

Les alliages d'aluminium-silicium sont de plus en plus utilisés de nos jours dans le domaine automobile. Ils permettent d'alléger le poids des automobiles et diminuer ainsi la consommation d'essence. Nous avons étudié, dans ce projet, trois alliages d'aluminium soit sont le 319, le 356 et le 413. Nous avons fait varier différents paramètres métallurgiques pour chaque alliage. Les paramètres variés sont le dégazage, l'ajout de strontium, l'ajout de T1B2 et la quantité d'hydrogène. Ainsi, 9 conditions ont été créées pour chaque alliage. En plus de varier les paramètres métallurgiques, nous avons également effectué des traitements thermiques sur les alliages. Les échantillons ont tous subi une mise en solution de huit heures à 495°C pour les alliages 319 et 413 et à 540°C pour l'alliage 356. Par la suite, une trempe a été effectuée dans un bac rempli d'eau chaude (60°C). Finalement, on a effectué le vieillissent d'une durée de cinq heures à 155°C, 180°C, 200°C, 220°C et 240°C. Nous avons également gardé des échantillons dits « tel que coulée » qui n'ont pas subi de traitements thermiques. Différents examens ont été faits sur les échantillons pour mesurer leur microstructure et leur macrostructure mais également les propriétés mécaniques. La grosseur des grains, l'espace interdendritique et la morphologie des particules de silicium et des pores ont été mesurés pour évaluer la microstructure et la macrostructure des alliages. Pour les propriétés mécaniques, la dureté et la résistance à l'impact ont été mesurées. Des images ont également été prises pour évaluer le mode de propagation de la fissure (fractographie) pour les échantillons soumis au test de résistance à l'impact. Nous avons pu identifier un nouveau phénomène agissant sur la morphologie des particules de silicium lors de la mise en solution. En temps normal, les particules de silicium aciculaire se fragmentent lors de la mise en solution ce qui diminue la surface totale des particules de silicium. Dans notre cas, il y a bel et bien une fragmentation mais il y a aussi une dissolution des petites particules de silicium qui diffusent vers les particules aciculaires de silicium plus grandes. Comme la cinétique de dissolution/diffusion des particules silicium est supérieure à celle de la fragmentation, il y a une augmentation de la surface moyenne (observé pour 14 échantillons sur 18). Les essais de résistance à l'impact ont permis de trouver que les pores présents dans les échantillons jusqu'à un pourcentage surfacique de 2,59% n'influencent pas la valeur de l'énergie absorbée.

En tant qu'une des familles principales des alliages d'aluminium, les alliages Al-Si offrent une excellente coulabilité, une bonne résistance à la corrosion et des bonnes propriétés physiques et mécaniques. L'alliage A356.2 commercialement populaire, appartenant au système Al-Si-Mg, a d'excellentes caractéristiques de coulée, soudabilité, étanchéité de pression et résistance à la corrosion. L'alliage est généralement soumis à un traitement thermique (traitement T6) pour fournir de diverses combinaisons des propriétés de traction et physiques qui sont attrayantes pour plusieurs d'applications en industrie de l'automobile et de l'aérospatiale telles que des blocs de moteur, des têtes de cylindre et des roues. De tels composants critiques exigent que les pièces coulées présentent des propriétés conformes de résistance et de ductilité dans tout le matériel solidifié. Il est bien connu que la morphologie des particules eutectiques de silicium dans les alliages Al-Si soit un facteur principal qui détermine les propriétés mécaniques de ces alliages. Dans les conditions de tel que coulé, la microstructure d'alliage contient des particules fragiles et aciculaires de silicium sous forme de plaquettes avec des côtés pointus aux extrémités. D'un point de vue mécanique, la présence de telles particules sous forme plaquettes dégradera les propriétés mécaniques parce que des efforts inhérents seront centralisés sur les côtés et les extrémités pointus, ce qui entraîne une rupture rapide. D'autre part, si les particules eutectiques de silicium sont obtenues sous une forme fine et fibreuse (silicium fibreux), une telle morphologie contribue aux meilleures propriétés de traction avec des valeurs légèrement plus élevées de résistance à la traction finale et à des valeurs de ductilité considérablement plus grandes. En plus de la taille et de la forme des particules eutectiques de silicium, la taille de grain et le DAS (espacement de bras de dendrite) sont également importants pour les propriétés de l'alliage. Le DAS est déterminé par le taux de refroidissement. En effet, des taux de refroidissement plus élevés mènent à une taille de grain plus fine et à une plus petite valeur de DAS qui améliorent les propriétés. Tandis qu'un taux de refroidissement élevé peut également produire des particules eutectiques de silicium plus fines, leur morphologie, cependant, demeure la même (c.-à-d. aciculaire). La modification ou le changement de la morphologie de particules de silicium d'une forme aciculaire à une forme fibreuse est habituellement provoquée en ajoutant un modificateur au métal liquide. Pour cet effet, le strontium est généralement utilisé sous forme d'alliage mère d'Al-10%Sr. Le rôle du strontium est d'affecter principalement la nucléation et la croissance de la phase de silicium en développant un habillage efficace d'impureté devant la croissance de silicium présent dans l'alliage solidifié. Par la suite, cet habillage d'impureté produit des particules fines de silicium qui contiennent une forte densité. Les particules fines de silicium peuvent également être produites en utilisant d'autres moyens, par exemple un taux de refroidissement élevé, traitement de mise en solution ou un traitement thermique du liquide. Un taux de refroidissement élevé a comme conséquence un degré élevé de surfusion décalant le point Al-Si eutectique de l'alliage à une plus basse température. Le taux de refroidissement élevé mène à la formation des particules plus fines de silicium comparées à un taux de refroidissement bas. Autres moyens pour obtenir des particules fines de silicium est l'utilisation du traitement thermique du liquide, ou le processus de MTT. Dans ce cas-ci, l'utilisation de basses et de hautes températures pour l'alliage produit une structure fine de silicium. L'effet de modification est réalisé par des noyaux résultant de la dégénération de grands amas d'atomes et quelques solides réfractaires dans la basse température quand l'alliage est chauffé à hautes températures. Dans ce processus aucune addition d'élément n'est exigée. C'est une technique relativement récente qui semble être une alternative prometteuse à la modification au strontium Sr, car elle n'exige aucune addition d'élément, de ce fait ramenant le risque de porosité accrue normalement liée à l'addition du strontium au métal liquide. L'utilisation de la surchauffe du métal liquide s'avère également un moyen pour produire l'amélioration de la structure eutectique de silicium. Dans ce cas-ci, aussi, la température élevée de la fonte aide à la dégénération des amas d'atomes, fournissant plus de noyaux pour la formation de dendrite d?a-Al fournissant un affinage de la microstructure. Dans les alliages d'aluminium traitables thermiquement, les propriétés mécaniques sont augmentées par l'utilisation des traitements thermiques. Ces derniers qui sont appliqués sur les alliages A356 se composent de trois étapes : un traitement thermique de mise en solution (à 540 °C) pendant un temps indiqué, une trempe (dans l'eau chaude), suivie d'un vieillissement artificiel à 155 °C. La partie de traitement de mise en solution du processus affecte directement les particules de silicium et, dépendant d'un temps optimum de traitement, produit des particules sphéroïdisées de silicium. Des temps plus grands de traitement de mise en solution peuvent mener à des particules aciculaires de silicium. Ainsi, n'importe quel facteur qui peut affecter la morphologie des particules eutectiques de silicium aura un effet sur les propriétés mécaniques des alliages Al-Si. Le but du travail actuel est d'étudier de divers moyens d'obtenir une structure eutectique fine de silicium dans l'alliage A356.2 et d'améliorer de ce fait les propriétés mécaniques de celui-ci. Les effets du taux de refroidissement, la modification au Sr, le traitement thermique de mise en solution et le traitement thermique du métal liquide sur les caractéristiques des particules de silicium de l'alliage A356.2 (Al-7%Si-0.4%Mg) ont été étudiés. Les paramètres des particules mesurés étaient la surface moyenne, la longueur moyenne, le rapport de la rondeur et le rapport longueur/largeur en utilisant l'analyse d'image et la microscopie optique. Basé sur les résultats obtenus à partir des caractéristiques microstructurales, des propriétés de traction (la limite ultime, la limite élastique et l'allongement à la rupture) des échantillons choisis ont été examinées au moyen d'une presse INSTRON universelle pour déterminer l'effet de ces facteurs sur les propriétés mécaniques. Les résultats ont prouvé que les alliages qui ont subi une modification au strontium Sr accompagnée d'une surchauffe et qui ont subi le processus de modification MTT fournissent très bien des particules eutectiques fines de silicium, le processus de Sr-MTT donne de meilleurs résultats de modification. La taille et la morphologie des particules eutectiques de silicium sont affectées par le procédé de modification utilisé. Les alliages SrM, SH et SrMTT coulés montrent des particules fibreuses de silicium bien modifiées, tandis que les alliages MTT qui montrent des particules de silicium, bien que raffinées dans une certaine mesure, maintiennent toujours leur morphologie aciculaire. Le taux de refroidissement affecte la dimension particulaire du silicium eutectique puisque un taux de refroidissement plus élevé produit des particules plus fines de silicium. Cependant, dans la marge des taux de refroidissement fournis par les extrémités froides du moule utilisé dans ce travail, le taux de refroidissement n'affecte pas la morphologie des particules de silicium. Pendant le traitement thermique de mise en solution à 540°C, les particules eutectiques de silicium subissent une fragmentation, une sphéroïdisation, et grossissement affectant la morphologie des particules de silicium. Le processus de sphéroïdisation est déterminé par la taille et la morphologie des particules de silicium dans les conditions tels que coulés. Les alliages subissant une modification au Sr, une surchauffe et un processus de SrMTT avec leurs particules de silicium raffinées ont besoin moins de temps de traitement de mise en solution pour le processus de sphéroïdisation que les alliages non modifiés et alliages MTT. Une analyse des essais de traction pour les diverses coulées de l'alliage A356.2 (NM, SRM, MTT SH et SrMTT) dans la condition tel que coulé montre que le taux de refroidissement et le procédé de modification n?ont aucune influence sur la limite élastique. La limite ultime (UTS) peut être améliorée par SrM, SH, et un traitement de SrMTT. Le processus de MTT n'a aucune influence apparente sur l'UTS. Le traitement de SrM et de SrMTT peut considérablement améliorer le pourcentage de l'élongation à la rupture de l'alliage A356. Les processus SH et de MTT montrent aucune amélioration significative dans le pourcentage de l'élongation. Un pourcentage d'allongement plus élevé peut être produit à un taux de refroidissement plus élevé. L'effet du traitement thermique de mise en solution sur les propriétés de traction des diverses coulées de l'alliage A356.2 peut être résumé comme suit. La limite élastique des diverses coulées de l'alliage A356.2 est sensiblement améliorée après le traitement thermique de mise en solution de 8 h dû à la précipitation de Mg2Si. La limite élastique demeure plus ou moins la même avec un accroissement plus ultérieur à un temps de traitement à 80 h. La limite ultime UTS est également considérablement améliorée dans les 8 premières heures du traitement thermique de mise en solution et reste alors au même niveau avec le temps augmentant jusqu'à 80h. L'amélioration est attribuée à la précipitation de Mg2Si, à la dissolution du silicium dans la matrice d'aluminium et au changement de la morphologie de particules de silicium (sphéroïdisation). La ductilité des alliages A356.2 qui ont subi le processus de NM, SH, et MTT peut être améliorée considérablement avec le traitement thermique de mise en solution (par exemple de ~ 6% dans l'alliage non modifié et dans la condition de tel que coulé à ~ 10% après un traitement de mise en solution de 80 heures). Cependant, les alliages qui ont subi le processus SrM et SrMTT ne montrent aucune amélioration remarquable.

La présente étude a été entreprise pour étudier l'effet des paramètres métallurgiques sur la dureté et des caractérisations microstructurales dans les alliages 356 et 319 tels que coulés et soumis à un traitement thermique. Ceci est dans le but d'ajuster ces paramètres pour avoir une dureté appropriée et une fraction volumique des intermétalliques de fer pour l'usage dans les études concernant l'usinabilité de ces alliages. La gamme de la dureté et les fractions volumiques des intermétalliques de fer utilisées dans cette étude est la plus connue des applications commerciales de ces alliages. Des mesures de dureté ont été effectuées sur des spécimens préparés à partir de des alliages 356 et 319 tels coulés soumis à un traitement thermique, en utilisant différentes combinaisons du raffinage de grain, modification au strontium Sr et en ajoutant des éléments alliés. Des traitements de vieillissement ont été effectués à 155°C, 180°C, 200°C et 220°C pour 4 h, suivis du refroidissement à l'air, aussi bien qu'à 180°C et à 220°C pour 2, 4, 6, et 8 h pour déterminer des conditions dans lesquelles la dureté spécifique atteigne 85 et 115. L'addition du magnésium aux alliages 319 contenant le B- et/ou le a-intermétalliques de fer produit une augmentation remarquable de dureté à toutes les températures de vieillissement en conditions non modifiées et modifiées par le strontium. Des additions du magnésium aux alliages 319 avec différentes conditions de traitement thermique pour des alliages 356 et 319 ont été effectuées pour obtenir des niveaux semblables de la dureté pour les deux alliages. Des conditions de 356 et de 319 modifiés au strontium (200-250 ppm) contenant principalement des intermétalliques a-Fe liées à différents niveaux de la dureté (90, 100 et 110 HB) ont été choisies pour l'étude de forage et de taraudage. L'effet du magnésium et de la fraction volumique des intermétalliques a-Fe sur l'usinabilité des alliages 319 soumis à un traitement thermique a été étudié pour deux niveaux de magnésium (0.1 et 0.28%), et deux niveaux de fraction volumique des intermétalliques a-Fe (2 et 5%), respectivement. Les facteurs les plus importants entrepris dans la présente étude qui déterminent l'état du matériel de travail qui peuvent influencer les résultats de l'usinabilité des alliages 356 et 319 sont: ? Chimie et additions (Cu, Mg et Fraction volumique des intermétalliques de a-Fe) 1. Le rôle des intermétalliques du cuivre en usinant les alliages 356 (sans du cuivre vieilli à 180°C/2h) et 319 (avec du cuivre vieilli à 220°C/2h), tous les deux ont le même niveau de la dureté (100 HB). 2. Rôle de l'addition du magnésium à l'alliage 319 à deux niveaux de contenu de magnésium (0.1 et 0.28%) donne le même traitement de vieillissement (220°C/2h) et deux niveaux différents de dureté (90 et 100 HB), les mêmes alliages subis un traitement différent de vieillissement (180°C/2h et 220°C/2h) donnent le même niveau de la dureté (100 HB). 3. L'effet d'augmenter la fraction volumique des intermétalliques a-Fe aux alliages 319 (2 et 5%) et quand le vieillissement est effectué à 220°C/2h et à 180°C/2h rapportent des duretés de l'ordre (90 HB) et (100 HB) respectivement. ? Taux de refroidissement et vitesse de trempe ? Dureté Les différences dans le comportement d'usinage entre les alliages 356 et 319 sont principalement attribuées à la différence dans la dureté de matrice, la chimie d'alliage, les additions d'éléments et le traitement thermique. La dureté de matrice (salutaire) et les abrasif d'alliage (nuisible) semblent être de vraies issues commandant l'usinabilité d'alliage. Le magnésium et le cuivre renforcent la matrice de l'alliage et par conséquent améliorent l'usinabilité de ce dernier. Le magnésium durcit les alliages 356 et 319, mais n'augmente pas l'abrasif puisqu' en petite quantité, il ne contribue pas à la formation des phases dures d'intermétalliques. En conséquence, les alliages contenant du Mg montrent un nombre plus haut de trous forés et tapés. Un contenu plus élevé de magnésium résulte dans une force de découpage plus élevée au même niveau de la dureté. Ceci peut être expliqué en notant que la fraction volumique des intermétalliques de magnésium ou des précipités plus élevés qui peut être formée dans la matrice d'alliage en conditions des alliages 319 contenant du Mg élevé (0.28%) comparées au bas contenu du Mg (0.1%). Les alliages 319 contenant un niveau bas en Mg (0.1%) présentent une vie supérieure d'outil, et ce deux fois plus que des alliages 356 (0.3% Mg) et une fois et demi que des alliages 319 contenant Mg (0.28%). En comparant un système primaire d'alliage de bâti à l'autre (356 contre 319 ou 319 (0.1 %Mg) contre 319 (0.28%Mg), par exemple), l'usinabilité des alliages 319 est plus haut que celle des alliages 356 et l'usinabilité des alliages 319 contenant un niveau bas en Mg (0.1%) sont plus haut que des alliages 319 contenant Mg (0.28%). Un alliage avec un contenu bas en cuivre comme l'alliage 356 montre une force de découpage plus élevée comparée à celle des alliages 319 au même niveau de la dureté. Ceci peut être expliqué par l'amélioration de la homogénéité de la dureté de matrice d'alliage 319 sur la base de l'effet des intermétalliques du Cu et du Mg combinés, tandis que le durcissement se produit par la précipitation coopérative des particules de phase de Al2Cu et de Mg2Si comparées seulement à la précipitation de Mg2Si dans le cas des alliages 356. La teneur de cuivre des alliages 319 tendrait à durcir l'alliage et par conséquent améliore leur usinabilité. En conséquence, les alliages 319 contenant Mg montrent une meilleure usinabilité comparée avec les alliages 356. La morphologie des intermétalliques de fer peut affecter les résultats de force de découpage quand le vieillissement a été effectué pour deux heures à 180 °C et pas à 220 °C. On l'a observé que la fraction volumique des intermétalliques a-Fe peut affecter la force et le moment de découpage quand le vieillissement a été effectué à 180° C/2h plutôt qu'à 220°C/2h. Pendant le temps de solidification dans la gamme de 25 à 45 secondes, il semble que la force et le moment de découpage sont légèrement influencés par le taux de refroidissement et la vitesse de trempe dans les états T6 et T7. Les traitements thermiques qui augmentent la dureté réduisent (heat build-up (BUE)) sur l'outil de coupe. La dureté affecte l'usinabilité des alliages 319 du fait que l'usinabilité s'améliore avec l'augmentation de dureté. On l'observe que la force et le moment de découpage augmentent avec la dureté tandis que (heat build-up (BUE)) diminue. Dans le tapement, on l'a observé que les outils de l'acier à coupe rapide réagissent considérablement plus avec la sensibilité à la dureté. L'outil (HSS-E) est cassé quand le changement de taper seulement 230 trous dans tels que coulés états (88 HB) aux 230 autres trous dans les conditions T6 (110 HB). On a observé la formation trompeuse des morceaux ou chip sur les conditions des alliages 356 et 319 (Ml et M3). Un critère important d'évaluation pendant le forage et le tapement est la qualité du trou. L'essai (Go-No-Go) est pris comme évaluation caractéristique pour l'exactitude de trou. Le diamètre de référence de (6.5024-6.5278 mm) et (7.02056-7.15518 mm) est employé pour forer et taper respectivement. Tous les résultats des essais (Go-No-Go) sont corrects. On observe des morceaux discontinus pendant l'usinage des alliages 356 et 319. À l'heure actuelle de l'effort critique, les processus durcissants excédent les processus ramollissants et une ligne principale fente se développe qui résulte en cassant le morceau, et de ce fait au développement d'un morceau complètement cassé. Plein, demi de tour et morceaux hélicoïdaux sont produits au début d'une opération de découpage quand l'outil est nouveau (processus de cisaillement). Pendant que l'outil commence usage, le morceau devient graduellement bien déformé, et le cisaillement et la déformation se produisent. Dans la contribution à la connaissance originale, les corrélations expérimentales qui relient les additions d'éléments et le traitement thermique avec la dureté ont été trouvées des résultats expérimentaux. De ces corrélations, on l'a noté que la dureté produite pour des alliages 319 augmente avec le magnésium et les fractions volumiques des intermétalliques de a-Fe et diminue comme la modification par le strontium et les paramètres de traitement de vieillissement (la température de vieillissement et temps de vieillissement). Dans des autres corrélations qui relient les additions d'éléments et le traitement thermique avec la force et le moment de découpage de forage aussi bien que (heat build-up (BUE)), on l'a observé que tous les deux la force et moment de découpage produits pendant de forage augmentent avec le magnésium et les fractions volumiques des intermétalliques de a-Fe et diminuent avec la température de vieillissement. Cependant, (heat build-up (BUE)) produite pendant le forage diminue avec l'augmentation de magnésium et les fractions volumiques des intermétalliques de a-Fe et augmente avec la température de vieillissement.

Les alliages aluminium-silicium (Al-Si) constituent la majorité de moulages en aluminium, ceci est du à la fluidité élevée fournie par la présence d'un volume relativement grand de la phase eutectique du silicium. La demande des pièces coulées en aluminium de plus haute qualité, en particulier dans les industries de l'automobile et de l'aérospatiale, a concentré beaucoup d'attention sur la qualité de l'aluminium fondu. La propreté du métal, une caractéristique importante qui affecte la qualité et la performance du produit final, est déterminée par la quantité des éléments de trace, de gaz, d'oxydes, d'impuretés et d'inclusions actuelles dans le métal liquide. Les inclusions dans les alliages coulés d'aluminium ont été un problème important dans le processus et contrôle de qualité. Le contrôle de la propreté du métal dans les alliages Al-Si fondus exige des moyens de surveiller et réduire au minimum la présence des impuretés, des inclusions et des gaz. Beaucoup de techniques ont été présentées pour mesurer le contenu d'inclusion dans les fontes en aluminium. Parmi elles, la technique de LiMCA (analyseur liquide de propreté en métal) est une technique non destructive qui est capable d'effectuer des mesures in situ des concentrations d'inclusion et de les distinguer selon la dimension particulaire. La présente étude a été entreprise pour étudier les possibilités de la technique de LiMCA pour mesurer différents types d'inclusions en alliages purs commerciaux d'aluminium et d'Al-6%Si, en utilisant deux températures différentes (680 et 750°C). Le but principal de l'étude était d'évaluer la technique dans le cas des alliages de fonderie, où les niveaux d'inclusion sont considérablement plus élevés que ceux trouvés dans les alliages d'aluminium corroyés pour lesquels la technique de LiMCA a été généralement employée jusqu'à maintenant. Les types d'inclusions étudiés qui sont AL2O3, AL4C3, MgO, CaO, TiB2 et TiAl3, représentant des inclusions typiquement trouvées dans les alliages d'aluminium de fonderie. Les additions d'inclusion ont été faites en utilisant la poudre, l'alliage mère, métal pur et de matrice composite de métaux. Dans le cas des inclusions de poudre, les inclusions ont été injectées dans la fonte d'alliage en utilisant une technique d'injection de poudre pour préparer un contenu d'inclusions dans les lingots qui seront plus tard employés pour l'addition d'inclusion aux fontes fraîches d'alliage pour effectuer les essais de LiMCA. Les données de LiMCA ont été obtenues sous forme de parcelles qui ont fourni toute la concentration en nombre et en volume de concentration des inclusions, en fonction du temps et de la dimension particulaire. L'examen microstructural des échantillons solidifiés obtenus à partir du tube de sonde de LiMCA utilisé pour les mesures et à partir des prélèvements de la fonte a été également effectué, en utilisant la microscopie et la microanalyse optique de sonde d'électron (EPMA). Une analyse des données de LiMCA obtenues et des micro structures correspondantes a montré qu'après les procédures semblables d'addition d'inclusion, le nombre maximum des inclusions dans les fontes en aluminium pures commerciales à 750°C que est donné par des inclusions d'A^Os, suivies des inclusions d'Al4C3, alors que les inclusions de CaO montrent les plus basses concentrations. La plupart des inclusions sont détectées dans la gamme de grandeur de 20 à 25 um. Dans le cas des inclusions de MgO, les plus grandes additions du MgO augmentent la distribution d'inclusion dans les gammes plus étendues de dimension particulaire, montrant la tendance des inclusions de MgO à l'accumulé. Les natures semblables des courbes pour des inclusions de MgO obtenues à partir des essais effectués à la température de 680°C indiquent la répétitivité des prélèvements de LiMCA pris du même métal liquide. La comparaison du nombre total et la moyenne des inclusions TiB2 montrent leur tendance de disperser dans la fonte plutôt qu'accumulé. Même avec une plus grande addition des inclusions TIB2 à la fonte, la technique de LiMCA peut correctement détecter l'augmentation correspondante de la concentration dans la gamme de dimension particulaire de 20 à 25 jam. Les concentrations en volume pour les inclusions TiAl3 dans les fontes pures d'Al à 680 °C restent hautes pour toutes les gammes de dimension particulaire, tandis que pour d'autres inclusions, les dimensions particulaires plus élevées montrent de bas volumes. Dans les alliages Al-6%Si coulés à 750 °C, il y a une première période de 15-20 minutes avant que les lectures d'inclusion commencent à être détectées correctement par le LiMCA. Les inclusions AL2O3 et TiB2 montrent les concentrations les plus élevées dans les gammes inférieures de dimension particulaire, où TiB2 montre cette tendance pour presque toute la gamme de dimension particulaire. Les inclusions Al4C3 montrent des concentrations près de celles d'Al2O3, alors que les CaO et les MgO montrent les plus basses concentrations. Les effets de l'agglomération et de la sédimentation de particules sont également reflétés par les caractéristiques de distribution de dimension particulaire. Bien que les inclusions de CaO montrent les plus basses concentrations dues à leur basse mouillabilité, leur présence est encore différenciée par le LiMCA en ce qui concerne les niveaux bas d'inclusion d'alliage (sans aucune addition). Les inclusions CaO, MgO et TiB2 montrent des concentrations en volume élevées. Le LiMCA est sensible à la taille et à la concentration d'inclusion. Sa sensibilité augmente pendant que la température de fonte diminue. Les concentrations plus élevées d'inclusion de LiMCA II à des températures plus basses de 680 °C pour tous les types d'inclusion ont été étudié. Cet effet est le plus prononcé pour des inclusions de la poudre TiB2 et AL4C3. Les types d'inclusion suivants montrent les concentrations les plus élevées : TiB2 (poudre) > MgO + Mg > TiB2 (alliage mère) >Al4C3 (poudre) dans cet ordre. Les inclusions de TiB2 (poudre) et de MgO (métal) sont associées à l'excédent de volumes élevés de toutes les gammes de dimension particulaire, indiquant la présence des inclusions de toutes les tailles dans la fonte et des effets délétères relatifs des inclusions. Les niveaux beaucoup plus élevés d'inclusion de MgO obtenus avec l'addition du métal de magnésium (plus la surchauffe de la fonte) montre que cela l'addition directe du métal est une source bien meilleure de ces inclusions qu'en utilisant la poudre de MgO elle-même (20.000 contre, ppb 5.000). Ceci démontre la sensibilité et la fiabilité de la technique de LiMCA à la présence et la source des inclusions supplémentaires à la fonte. En ce qui concerne des additions d'inclusion en utilisant des alliages mères, les nombres de la concentration de TiB2 sont beaucoup plus hauts que ceux de TiAl3. Cependant, dans les deux cas, la plupart des inclusions sont trouvées dans la gamme de dimension particulaire allant de 20 à 25 um. Du point de vue de fournir des noyaux hétérogènes à la fonte par l'utilisation des alliages mères de raffinage de grain, les mesures de LiMCA prouvent clairement que Al-5%Ti-l%B est beaucoup plus efficace que l'alliage Al-10%Ti. Dans la présente étude, l'évidence microstructurale de l'accumulation d'une vaste quantité d'inclusions de TiB2 comme capturée par le tube de sonde de LiMCA prouve que LiMCA est la seule technique qui peut capturer de tels agglomérés en ligne, sans n'importe quel problème, car d'autres techniques telles que le PoDFA et le Prefil ne peuvent pas mesurer de tels agglomérés TiB2 sans leurs systèmes de filtre obtenant obstrués et interrompant les mesures. C'est une conclusion significative, et démontre un aspect très important de la technique de LiMCA, en particulier en raison du fait que des alliages mères de type d'Al-Ti-B sont régulièrement utilisés pour l'affinage des grains.

Avec leurs caractéristiques de basse masse volumique, de bas point de fusion, d'excellente coulabilité et de bonne résistance à la corrosion, les alliages aluminium-silicium (Al-Si) sont intensivement utilisés dans les applications d'automobiles. Les pièces produites à partir de ces alliages s'étendent dans plusieurs utilisations, à savoir, des blocs de moteur, des culasses et des roues. Deux des alliages commerciaux les plus populaires utilisés dans de telles applications sont les alliages de type A3 5 6 et 319, appartenant respectivement aux systèmes Al-Si-Mg et Al-Si-Cu. La qualité et les propriétés des pièces coulées sont déterminées par la qualité de leur microstructure, commandée par de divers paramètres tels que l'espace interdendritique (DAS, contrôlé lui même par le taux de solidification), le degré de modification de silicium eutectique et le degré d'affinage de grain, et la quantité de microporosités, d'intermétalliques et d'inclusions observées dans la microstructure. Parmi ces derniers facteurs, le taux de solidification est le plus important, car il affecte directement ou indirectement presque tous les autres paramètres microstructuraux. La modification de la morphologie du silicium eutectique de la forme aciculaire à une forme fibreuse est habituellement effectuée par l'addition du strontium (Sr) pour améliorer la ductilité de l'alliage. Les intermétalliques qui sont présents généralement en ces alliages sont les intermétalliques du fer B-Al5FeSi et a-Al5(Fe, Mn)3Si2, plaquettes, Mg2Si et, dans le cas des alliages 319, les intermétalliques de cuivre, CuAl2. En raison de leur fragilité, les intermétalliques de fer dont la nature est sous forme de plaquettes peuvent être tout à fait délétères aux propriétés de l'alliage, de même la présence de la porosité, en particulier en termes de qualité extérieure et solidité. Le but du travail actuel est d'étudier les paramètres métallurgiques contrôlant l'évolution microstructurale dans les alliages de type Al-Si-Mg et Al-Si-Cu, à l'aide de la détermination des caractéristiques microstructurales des alliages de type A356 et 319 directionnellement solidifiés en fonction de la teneur du fer, de l'addition du Sr (250 ppm) et de taux de refroidissement. Les teneurs en fer choisies varient de 0.12 (% en poids) à 0.8 (% en poids), et couvrent la gamme des niveaux de Fe trouvée dans les alliages commerciaux. L'utilisation d'un moule d'extrémité froide a fourni différents taux de refroidissement le long de la taille de la même pièce coulée, les valeurs de DAS qui ont changé de ~ 23 à 85 um, correspondant aux niveaux de 5, 10, 30, 50 et 100 mm au-dessus de l'extrémité froide. Les effets de ces variables sur la précipitation de la phase de B-Al5FeSi, les caractéristiques de la structure dendritique a-Al, la modification du silicium eutectique et la formation de porosité ont été examinés en détail. Diverses techniques ont été employées pour la caractérisation microstructurale et l'identification des phases, y compris le microscope électronique optique et de balayage, la microsonde électronique a couplés avec des rayons X d'énergie dispersive (EDX), la spectroscopie de longueur d'onde (WDS), ainsi que l'analyse thermique. Un analyseur d'image a été utilisé en même temps que le microscope optique pour la quantification. Une analyse des résultats obtenus prouve que la quantité de fer présente dans l'alliage affecte la taille des plaquettes de B-Al5FeSi et de leur distribution, en particulier avec un faible taux de refroidissement. L'addition du strontium mène à la fragmentation de ces (3-plaquettes co-eutectiques ou post-eutectiques. Cet effet diminue avec l'augmentation de la concentration en fer, et davantage d'addition de strontium mène à la précipitation des particules de type Al2Si2Sr, au lieu de fragmenter les plaquettes de fer. On observe un minimum de porosité dans les alliages dont le pourcentage en poids de fer est de ~ 0.4 (cas de l'alliage 319) et de ~ 0.4 ou 0.6 (cas de l'alliage 356) dû aux améliorations de la fluidité d'alliage. Avec l'augmentation du contenu de fer au dessus de ces niveaux, la porosité est également augmentée, en raison de l'augmentation de la taille des plaquettes de fer et de l'obstacle accru dans le métal fondu. La porosité observée à n'importe quel niveau donné de fer est la résultante de la concurrence entre ces deux facteurs, c.-à-d., fluidité et taille de B-plaquettes, et dépend de la perméabilité des régions interdendritiques. Bien que les branches de la phase B-Al5FeSi mène à la formation de porosité, ces mêmes plaquettes, d'autre part, limitent également la croissance des pores. En général, le pourcentage de porosité, l'aire maximum et la longueur maximale de pore augmentent avec l'augmentation des longueurs moyennes des plaquettes du B-Al5FeSi dans les alliages 356 et 319. Dans les alliages modifiés par le strontium, la formation de porosité est fréquemment associée aux oxydes de strontium (des particules ou films), aussi bien qu'aux plaquettes de B-Al5FeSi. Ces oxydes (avec une composition stoechiométrique proche de Al2SrO3) sont formés pendant la coulée du métal liquide, et ce est dû à l'affinité élevée de l'oxygène du strontium, et sont difficiles à s'enlever par l'intermédiaire d'un dégazage. La morphologie du pore (ronde ou irrégulière) est déterminée par la forme de l'oxyde, à savoir, particules ou films épais très bien dispersés. Des pores ronds sont également observés entourés par des régions eutectiques d'Al-Si. Les films d'oxyde d'aluminium emprisonnés dans le métal fondu mènent à la formation des pores plus bruts et plus profonds que ceux formés d'oxydes de strontium. Ces pores peuvent également être liés l'un avec l'autre, et sont caractérisés par la présence du métal solidifié emprisonné dans les films d'oxyde d'aluminium, près de la périphérie. La forme de ces pores est commandée par la quantité de gaz emprisonné avec les pores pendant la solidification. Les oxydes d'aluminium et de strontium agissent également en tant que des emplacements ou sites favorables pour la précipitation d'autres microconstituants, comme par exemple, la phase de B-Al5FeSi. Pour des mêmes concentrations en fer et des conditions de taux de refroidissement, les alliages de type 319 montrent des pores de plus grandes tailles que ceux dans les alliages de types 356, et ce est dû à leur plus long temps de solidification. En ce qui concerne la dimension particulaire de silicium, le temps de solidification est aussi important que l'addition de strontium dans les alliages contenant un grand nombre d'éléments d'alliage (à savoir, 319 contre alliage 356). La modification de strontium s'avère plus efficace dans l'alliage 356 que dans l'alliage 319, en raison de la différence dans tout le temps de solidification. L'addition des éléments d'alliage tels que le magnésium et le cuivre aux alliages d'Al-7%Si, comme aussi l'addition du strontium, diminue la température de solidification silicium eutectique. Dans les alliages modifiés par le strontium, la phase dendritique primaire a-Al change de forme, à savoir, des rangées parallèles à une structure equiaxe, avec des longueurs de dendrites primaires plus courtes. Les longueurs des dendrites secondaires sont commandées par le rejet des atomes de corps dissous devant les dendrites croissantes pendant la solidification. Plus la teneur en éléments d'alliage est élevée (cas de l'alliage 319), plus la taille de cellules de dendrite est petite. Le fer Fe aide à modifier les particules eutectiques de silicium dans les alliages non modifiés, en particulier à bas taux de refroidissement. Plus le niveau de fer est élevé, plus les particules de silicium sont fines. Dans les alliages modifiés par le strontium, la présence du fer équilibre l'augmentation de la dimension particulaire de silicium avec l'augmentation de DAS, c.-à-d., diminution du taux de refroidissement, ayant pour résultat plus ou de moins de dimensions particulaires uniformes de silicium, indépendamment de la composition en alliage (c.-à-d., alliage 356 ou 319). Le silicium précipite sur les plaquettes de B-Al5FeSi, que ce soit l'alliage modifié ou pas, ou le niveau de fer soit bas ou élevé. Cependant, l'augmentation de la superficie des plaquettes de B-Al5FeSi fournit plus d'emplacements de nucléation pour les particules de silicium et, par conséquent, une amélioration dans leur dimension particulaire. La surmodification des particules de silicium a lieu quand les précipités excessifs de strontium sous forme d'Al2Si2Sr prennent naissance pendant des réactions co-eutectiques ou post-eutectiques. Ces particules d'Al2Si2Sr sont de forme polygonale et sont incohérentes avec la matrice. La phase d'Al2Si2Sr peut également être précipitée directement dans la fonte quand le niveau de strontium est suffisamment élevé, dans ce cas les particules prennent la forme de short, d'aiguilles fines ou de tiges. La précipitation d'Al2Si2Sr co-eutectique a comme conséquence l'absorption de tout le strontium des régions dans lesquelles cette phase se produit. Ces régions deviennent pauvres en strontium, et toutes les particules de silicium se trouvant dans les bords ou côtés demeurent ainsi non-modifiées. La présence des particules grossières de silicium est donc tin résultat de leur état non modifié, plutôt qu'en raison d'un retour de la morphologie fibreuse à la forme de plaquettes. Le mécanisme de l'effet du fer sur la modification du silicium eutectique dans les alliages traités par le strontium peut être proposé comme suit. Dans les conditions de sous modification, les plaquettes de B-Al5FeSi se précipitent dans un bain de liquide Al-Si-Sr, où le strontium adhère à la surface des plaquettes. Les particules de silicium nucléés sur les plaquettes de P-A^FeSi sont ainsi très fines (1-2 um). Cependant, ailleurs dans la matrice, les particules de silicium demeurent non modifiées (longueur moyenne ~ 9-12 um). Dans les conditions de bonne modification, les particules d'Al2Si2Sr sont non modifiées, et ce est dû à l'épuisement du strontium dans ces secteurs, tandis que celles ailleurs dans la matrice sont bien modifiées. En conclusion, la présente étude a essayé de présenter une compréhension détaillée des processus et des phénomènes réels impliqués dans l'évolution de la microstructure des deux alliages populaires en l'industrie de l'automobile, tenant compte de la gamme des niveaux de fer généralement obtenu dans les alliages commerciaux, et des interactions qui résultent quand de tels alliages sont soumis aux procédures normales de traitement et de solidification du métal liquide suivies dans la production des pièces coulées. On s'attend à ce qu'une telle compréhension fournisse les moyens d'améliorer la commande la microstructure et, par conséquent, la qualité de produits finis obtenus.

Plusieurs types d'alliages d'aluminium de fonderie sont employés pour des applications automobiles principalement pour réduire la masse des véhicules. Parmi ces derniers, les alliages eutectiques sont utilisés pour leur bonne coulabilité. L'alliage utilisé dans cette étude est l'alliage 413.1 auquel différentes additions ont été réalisées. Neuf différentes compositions ont ainsi été étudiées. Il s'agit de l'alliage 413.1 de base et ce même alliage avec différentes additions de strontium (Sr), magnésium (Mg), cuivre (Cu), argent (Ag), lanthane (La), cérium (Ce), zinc (Zn) et nickel (Ni). Les caractéristiques de la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages de fonderie dépendent de plusieurs facteurs tels la composition chimique des alliages, la vitesse de solidification et les traitements thermiques. Cette étude permet de formuler des conclusions concernant les modifications de la microstructure et les variations de propriétés mécaniques en traction en fonction de la composition des alliages et des traitements thermiques appliqués. Les différents traitements thermiques qui sont examinés sont les traitements T4 et T6. La mise en solution se fait à 495°C pendant deux temps différents de quatre ou vingt-quatre heures. Quatre types de trempe sont utilisés : un refroidissement à l'air ambiant, une trempe à l'eau chaude (60°C) et deux trempes dans un appareil projetant de l'eau et de l'air sous pression. Les deux températures de l'eau utilisée à l'entrée de cet appareil sont de 12°C et 55°C. Ce type de trempe produit un refroidissement intermédiaire entre le refroidissement à l'air ambiant et la trempe à l'eau chaude. Pour le traitement T6, les vieillissements utilisés sont de cinq heures à trois différentes températures; 155°C, 180°C et 240°C. Une série d'échantillons tels que coulés est aussi analysée. Les propriétés étudiées sont : la morphologie des particules de silicium, la fraction surfacique des phases intermétalliques, la distribution des éléments d'addition dans l'alliage ainsi que les propriétés mécaniques en traction, la limite ultime (LU), la limite élastique (LE) et le pourcentage de déformation à la rupture (%Déf). Les conclusions de cette étude sont que la vitesse de solidification de l'alliage a un effet plus important sur la morphologie des particules de silicium eutectique que la modification au strontium et que l'augmentation du temps de mise en solution augmente les changements produits sur la morphologie. Les phases intermétalliques qui se dissolvent le font après quatre heures de mise en solution. Les phases intermétalliques Q-Al5Cu2Mg8Si6 ainsi que ceux contenant du fer, du nickel ou des métaux terres rares ne se sont pas dissoutes après vingt-quatre heures de mise en solution. Parmi les phases intermétalliques présentes, seul la phase B-Al5FeSi influence la grosseur des particules de silicium eutectique. Ces composés se solidifient en premier et entraînent avec eux une certaine quantité de strontium qui reste à proximité de ces composés pour modifier de façon plus importante les particules de silicium eutectique des alentours. Les autres phases intermétalliques n'affectent pas la morphologie des particules de silicium eutectique. L'addition de strontium et l'addition de strontium et de magnésium améliorent la limite ultime des alliages tels que coulés tandis que l'addition d'argent et de zinc améliore la limite élastique. Après un traitement thermique T4, c'est l'alliage de base avec une addition de strontium et de cuivre qui obtient les valeurs de résistance mécanique en traction les plus élevées. La mise en solution de vingt-quatre heures n'améliore pas la résistance des alliages comparativement à une mise en solution de quatre heures. Pour les traitements thermiques T6, le vieillissement à 155°C est plus approprié pour les alliages ne contenant pas de cuivre et le vieillissement à 180°C fait plus augmenter les propriétés des alliages qui en contiennent. Par contre, la température de vieillissement de 240°C est trop élevée pour être appliqué pendant cinq heures et elle produit un sur vieillissement. Le vieillissement à la température de 180°C diminue considérablement la ductilité des alliages. Plusieurs d'entre eux se rompent dans la partie élastique de la courbe de traction.

Le but de ce travail était d'étudier la germination des intermétalliques du fer (Fe) et de la phase cc-Al à partir des alliages liquides dilués Al-Si-Fe, sur le noyau de particules d'inclusions courantes se trouvant dans les alliages d'aluminium commerciaux. Les inclusions furent introduites dans l'alliage fondu en utilisant une technique d'injection de gaz. Des expérimentations systématiques furent mises au point afin d'étudier l'effet (i) de la composition de l'alliage (Fe et Si), (ii) du taux de refroidissement (de 0.2 °C/s à 15 °C/s, similaire à ceux rencontrés dans la plupart des procédés de fonderie des alliages commerciaux), et (iii) du type d'inclusions (où une variété d'inclusions, dont les plus courants des oxydes, carbures et borures, furent utilisées). De plus, une analyse en profondeur du système d'injection de gaz fut aussi entreprise, celle-ci s'avérant utile à la compréhension de l'influence des particules solides et des propriétés du métal liquide sur le procédé d'injection de gaz. Six alliages expérimentaux représentatifs de la partie riche en aluminium du système Al-Si-Fe furent utilisés dans la présente étude. Des expériences d'injection de gaz pour ajouter une variété d'inclusions (a- et Y-AI2O3, MgO, CaO, TiC, SiC, AI4C3 et TÏB2) aux alliages fondus, furent entreprises en utilisant une technique d'injection de gaz qui a permis d'introduire avec succès les différents oxydes, carbures et borures dans les alliages d'aluminium liquide. Les alliages dans lesquels des inclusions furent injectées ont été coulés dans différents moules afin d'obtenir des taux de refroidissement variés. Plusieurs techniques d'examen furent utilisées pour étudier l'effet de la composition de l'alliage, du taux de refroidissement, et du type d'inclusion, sur la structure des alliages. Ces techniques sont l'analyse thermique, l'analyse d'image, la micro-analyse par sonde électronique équipée avec la cartographie, le rayon X par énergie dispersive et le spectromètre des rayons X par longueur d'onde. Les résultats ont montré que la fraction volumique des intermétalliques du Fe obtenue augmente avec les quantités de Fe et Si ajoutées, aussi bien qu'avec la baisse du taux de refroidissement. Un taux de refroidissement faible produit des intermétalliques de dimensions plus grandes, alors qu'un taux de refroidissement élevé résulte en une plus grande densité d'intermétalliques. L'ajout de fer seul est plus efficace que des ajouts de Si ou de Fe+Si à produire des intermétalliques. La composition de l'alliage et le taux de refroidissement contrôlent la stabilité des phases intermétalliques: Les phases binaires Al-Fe prédominent à des taux de refroidissement bas et à un ratio Fe/Si élevé; la phase PAlsFeSi est dominante à un contenu en Si élevé et à un taux de refroidissement bas; les intermétalliques cc-AlFeSi (i.e. a-AlsFe2Si) existent entre ces deux phases; les phases ternaires riches en Si, telles que l'intermétallique 5-Al4FeSi2, sont stabilisées à des taux de refroidissement élevés et à des contenus en Si de 0.9 % et plus en poids. Les calculs des parcours de solidification représentant les ségrégations de Fe et Si dans la partie liquide, basés sur l'équation de Scheil, ne sont pas conformes aux parcours de solidification actuels, en raison du fait que la diffusion du solide n'est pas prise en compte dans l'équation. Les modèles théoriques de Brody et Flemings [1966], et Clyne et Kurz [1981] ne parviennent pas à expliquer l'écart observé avec le comportement de l'équation de Scheil, puisque ces modèles donnent moins de poids à l'effet de la rétro-diffusion du solide. Une section isotherme métastable du diagramme de phase Al-Si-Fe ajustée à 500°C a été proposée (au lieu de celle à l'équilibre), qui prédit correctement les phases intermétalliques formant dans cette partie du système à des taux de refroidissement bas (-0.2 °C/s). En ce qui a trait à la technique d'injection de gaz utilisée, l'effet des particules d'inclusions sur le développement de la microstructure dans les alliages d'aluminium a démontré la signifiance d'utiliser cette technique dans la conduite d'études systématiques de ce type. Le processus de fluidisation des particules solides fut décrit et discuté en détail. Les équations et diagrammes qui mettent certaines limites sur la vélocité et le débit du gaz sont donnés à titre de guides dans la fluidisation contrôlable. De plus, l'analyse théorique du procédé d'injection de gaz, incluant l'énergétique du transfert des particules de gaz à liquide et l'effet des forces cinétiques, fut utilisée afin de dériver une relation théorique faisant état de la vélocité d'injection minimale requise pour le transfert de particules de gaz à liquide. La capacité de la technique d'injection s'avère être très restreinte par la dimension des particules. Des particules très petites (< 1-^m) ou grandes (> 100-um) ne peuvent être introduites dans le métal liquide en utilisant la présente technique d'injection pour plusieurs raisons reliées à la capacité de pourvoir des débits de gaz appropriés pour l'injection et celle d'avoir une fluidisation ne déstabilisant pas le bain de métal. Alors que la discussion donnée dans ce travail est étroitement reliée au présent système d'injection de gaz, les considérations, particulièrement celles reliées à l'effet des propriétés physiques des particules liquides et solides sur le processus de transfert des particules de gaz à liquide, sont assez générales et devraient être applicables à tout procédé d'injection. Les considérations pratiques générales sont: (i) la mouillabilité a une grande influence sur l'incorporation des particules, une faible mouillabilité nécessitant des vélocités d'injection plus grandes, (ii) la densité du liquide a un effet sur l'incorporation des particules dans le bain de métal, l'incorporation des particules solides dans les liquides plus lourds étant plus difficile et requérant des vélocités d'injection plus grandes, et (iii) plus le type de particules est gros et/ou lourd, plus petite est la vélocité d'injection requise. Les expérimentations d'inoculation systématique entreprises pour étudier l'influence d'inclusions diverses sur la germination de la phase a-Al dans les alliages Al-Si-Fe à des taux de refroidissement différents, ont montré que dans les alliages dilués (contenant moins de 1.5% de Si + Fe), presque tous les types d'inclusions ont des pourcentages élevés d'occurrence à l'intérieur de la phase cc-Al, indiquant que la germination est promue sur la surface de telles inclusions. Dans un alliage hypoeutectique Al-Si contenant 6.3% en poids de Si, les particules d'inclusions de MgO, TiB2, TiC, a-AI2O3, et SiC deviennent surtout des agents nucléants inactifs repoussés dans les régions interdendritiques à cause de l'effet empoisonnant dominant du Si. Les résultats présents furent utilisés avec succès afin d'expliquer les différences d'efficacité des affineurs de grain commerciaux dans les alliages Al-Si hypoeutectiques. Le silicium est ségrégé préférentiellement aux interfaces Al liquide/inclusions de façon à réduire leur énergie libre. Une analyse théorique de l'effet empoisonnant du Si a montré que la ségrégation du Si à l'interface liquide/agents nucléants altère le bilan d'énergie interfaciale de manière que l'efficacité catalytique des particules de s est réduite de façon spectaculaire. Une analyse soignée a montré que l'effet empoisonnant du Si dans l'alliage Al-Si hypoeutectique est surmonté lorsque les particules d'agents nucléants ont des caractéristiques de surface actives tel que représenté par les puissances catalytiques élevées des particules de Y-AI2O3, CaO et AI4C3 dans la germination de la phase a-Al de l'alliage. Bien que certaines inclusions aient des niveaux d'occurrence comparables ou supérieurs à ceux du TiB2 dans la phase a-Al, elles ne peuvent pas être utilisées comme agents nucléants efficaces en raison de leur faible mouillabilité avec l'aluminium liquide ou de leur réactivité chimique. La germination des phases intermétalliques contenant du Fe (c'est à dire les phases binaires Al-Fe, a-AlFeSi, B-AlFeSi, 5-AlFeSi et qi-AlFeSi) sur la surface de différentes inclusions dans les six alliages expérimentaux Al-Si-Fe fut étudiée. Il s'est avéré que la germination de chacune des phases intermétalliques contenant du Fe était généralement promue sur la surface de plusieurs inclusions dans les mêmes conditions de composition d'alliage et de taux de refroidissement. Toutefois, certaines inclusions ont exhibé une haute puissance de germination pour les phases intermétalliques particulières contenant du Fe dans certaines conditions et une faible puissance dans d'autres conditions. Les agents nucléants puissants pour la phase primaire a-Al, tel que Y-AI2O3, ont exhibé une faible puissance pour la germination des particules d'intermétalliques contenant du Fe se trouvant à l'intérieur de la phase primaire (particules intragranulaires). Les inclusions réactives telles que CaO et SiC sont des agents nucléants très puissants pour les particules intragranulaires de la phase intermétallique contenant du Fe. La germination des phases intermétalliques contenant du Fe dans les alliages Al-Si-Fe obéit aux caractéristiques générales de la germination, en particulier, l'effet du taux de refroidissement et de la concentration de soluté sur la puissance des particules d'agents nucléants: (i) II a été observé que l'augmentation du taux de refroidissement améliore la germination hétérogène des phases intermétalliques contenant du Fe sur la surface de différentes inclusions, et (ii) la puissance de germination des particules d'inclusions dans la phase a-Al et dans les régions interdendritiques s'améliore avec l'augmentation de la concentration de soluté jusqu'à un certain niveau. Au-dessus de ce niveau, la concentration de soluté empoisonne les sites de germination. La germination des intermétalliques contenant du Fe dans les alliages étudiés ne semble pas être grandement affectée par le type ou la structure cristallographique de la surface nucléante.

La demande grandissante pour le magnésium et ses alliages, ainsi que la grande production de rebuts des procédés de coulées, poussent les producteurs de magnésium à se tourner vers le recyclage pour subvenir à la demande du marché. Le magnésium est un métal aux propriétés très intéressantes : faible densité, bonne résistance à la traction, bonne coulabilité et bonne résistance à la corrosion. Cependant, ses propriétés sont grandement affectées par les inclusions présentes dans le métal. Or, le recyclage du magnésium apporte son lot d'inclusions de toutes sortes. Dans le but de fournir un produit de qualité, les producteurs ont à leur disposition une panoplie d'appareils mesurant la propreté du métal. Toutefois, certains de ces appareils sont très onéreux et nécessitent un technicien qualifié pour les opérer. Les facteurs temporels et économiques étant très importants, il est nécessaire de trouver de nouvelles techniques plus économiques tout en demeurant tout aussi fiables. La présente étude porte sur le magnésium pur : l'alliage AM50A et l'alliage AZ91D. L'étude inclue l'utilisation du « Brightimeter » pour quantifier la concentration des inclusions. L'identification des inclusions a été effectuée par un microscope optique et un analyseur d'images, ainsi que par un microscope à microsondes électroniques couplé à un système de spectroscopie à longueurs d'ondes et à énergie dispersive aussi bien qu'à une cartographie couleur. L'effet de la composition des alliages a été évalué par des essais de traction à la température ambiante. En complément aux essais de traction, la surface de rupture des éprouvettes de traction a également été analysée. Les principaux résultats montrent une baisse notable de l'indice de « Brightimeter » quand le niveau d'oxydes de magnésium dans l'alliage augmente. Lorsque le niveau d'oxydes de magnésium est bas, la variation de l'indice de « Brightimeter » devient très faible. L'analyse électronique révèle la présence de plusieurs types d'inclusions. Les oxydes de magnésium sont les principaux. D'autres oxydes, comme ceux d'aluminium et de fer, sont présents en plus des particules d'origine étrangère comme la silice et les sels. La porosité peut être un défaut majeur dans les alliages. Celles observées dans nos alliages sont les retassures. Leurs effets sur l'indice de « Brightimeter » n'est pas notable, l'appareil semble plutôt insensible à la porosité. La taille des grains peut s'avérer un facteur influençant l'indice de « Brightimeter », mais il n'en est rien. Le joint de grain est de la même couleur que la matrice; c'est seulement après une attaque chimique qu'il est révélé. L'étude portait également sur l'identification et la quantification des phases intermétalliques présentes dans les alliages. Les deux principales phases observées sont la phase Mg-Al-Zn et la phase Mn-Al. La phase Mg-Al-Zn est grandement affectée par l'ajout d'aluminium dans l'alliage; un changement de la taille et de la morphologie des particules de la phase est observé. La phase Mn-Al, quant à elle, n'est pas affectée par l'ajout d'aluminium. La taille des particules de la phase dépend essentiellement de la quantité de manganèse. Les essais de traction sur les éprouvettes de composition chimique différente montrent une relation directe entre la taille, la morphologie et la densité des particules de la phase versus les propriétés mécaniques des alliages. La ductilité diminue avec l'augmentation de la concentration d'aluminium, tandis que les limites d'élasticité et limite ultime semblent plutôt stables. L'analyse de la surface de rupture des éprouvettes de tractions montre un changement du mode de fracture : de ductile, pour les alliages pauvres en aluminium à fragile, pour les alliages riches en aluminium. Ce changement s'observe par l'apparition de plans de clivage sur la surface de rupture. En tenant compte de tous les paramètres étudiés, nous en venons à la conclusion que l'appareil « Brightimeter » est capable de détecter et de mesurer efficacement les oxydes de magnésium dans les alliages. Sa sensibilité est accrue lorsque les niveaux d'oxydes sont à leur plus haut. Pour ce qui est des bas niveaux d'oxydes, l'appareil est bon, mais avec quelques réserves. La sensibilité est affectée par plusieurs paramètres, qui ne doivent pas être négligés. La plupart de ces paramètres dépendent du processus de solidification. Pour établir une relation entre l'indice de « Brightimeter » et le niveau d'oxydes, les paramètres métallographiques doivent être clairement établis.

Les alliages aluminium-silicium (Al-Si) de fonderie sont couramment employés dans les applications automobiles en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, d'une bonne coulabilité, des températures de fusion peu élevées, de l'absence de fissuration à chaud et d'une bonne répartition des porosités due au retrait lors de la solidification. Les alliages étudiés dans le cadre de ce travail de recherche sont des alliages de fonderie aluminium-silicium (Al?1 l,3%Si) eutectiques de désignation 413.0. Les caractéristiques microstructurales et les propriétés mécaniques des alliages de fonderie Al-Si eutectiques sont principalement déterminées par leur composition en éléments alliés, par leur structure de coulée et constituants microstructuraux tels que la taille de grain, l'espace inter-dendritique, les dimension, forme et distribution des particules de silicium eutectique et du silicium primaire, aussi bien que par la morphologie et la quantité des phases intermétalliques en présence. Tous ces paramètres se trouvent complètement changés à la suite de l'application de traitements thermiques qui, en retour, influencent les propriétés mécaniques des alliages à l'étude. Ce travail fut entrepris dans le but d'étudier les changements microstructuraux et les phases intermétalliques dans les alliages Al-Si de base 413.0 de même que les variations dans les propriétés de traction, notamment les contrainte ultime, limite d'élasticité et allongement à la rupture (déformation), résultant de l'addition d'éléments alliés ? strontium (Sr), magnésium (Mg), cuivre (Cu), argent (Ag), nickel (Ni), zinc (Zn), cérium (Ce), lanthane (La) et phosphore (P) - à l'alliage de base 413.0, cela dans des conditions d'application de traitements thermiques tels que la mise en solution, la trempe et le vieillissement artificiel. De plus, l'effet de l'ajout de phosphore (P) et des traitements thermiques sur la microstructure et sur les propriétés de traction de l'alliage 413.0 de base modifié au Sr, est étudié du point de vue des interactions phosphore-strontium (P-Sr) lors du processus de modification au Sr. Les changements microstructuraux, notamment les caractéristiques des particules de silicium et la précipitation des phases intermétalliques, sont identifiés au moyen d'examens microscopiques. Par ailleurs, les alliages sont caractérisés par l'analyse thermique consistant à tracer les courbes de solidification décrivant les étapes de formation des phases en présence. Les propriétés de traction sont illustrées à partir des courbes contrainte-déformation obtenues lors des essais de traction effectués sur les alliages 413.0. Diverses expériences en laboratoire sont effectuées sur les alliages étudiés, pour lesquels les spécifications relatives à leur composition en éléments alliés et les traitements thermiques à appliquer sont fournies par General Motors Corporation (GMC). Ces expériences permettent de formuler des conclusions concernant les modifications de microstructure et les variations de propriétés de traction des alliages étudiés en fonction de leur composition respective en éléments alliés et des traitements thermiques appliqués. Les différentes phases des alliages sont examinées en utilisant une microsonde. Les microstructures des surfaces d'échantillons sont examinées au moyen de la microscopie optique et de la microscopie à balayage électronique (MEB), couplées à l'analyse à fluorescence au rayon X par énergie dispersive. La micro-analyse par sonde électronique, et l'analyse de fluorescence par longueur d'onde sont aussi utilisées là où elles sont requises, en utilisant un micro-analyseur. Les traitements thermiques de mise en solution et de vieillissement artificiel sont effectués sur les alliages étudiés au moyen d'un four « Pyradia », alors que la trempe est effectuée à l'eau chaude. Les éprouvettes de traction sont testées à l'aide de la presse mécanique « Instron ». Les valeurs des courbes contrainte-déformation des éprouvettes de traction de chacun des alliages sont recueillies par un système d'acquisition de données relié à l'extensomètre fixé sur l'échantillon d'alliage sollicité en traction. Les analyses thermiques sont effectuées sur des lingots d'alliages et consistent à fondre des échantillons qui sont versés dans un moule en graphite. À l'aide de thermocouples de type K installés au centre du lingot de métal en fusion et connectés à un ordinateur utilisant un logiciel, les courbes de solidification sont tracées. Les résultats obtenus relativement aux observations microstructurales et aux essais de traction sur les alliages eutectiques Al-ll,3%Si de type 413.0 étudiés, révèlent que l'ajout d'éléments alliés, notamment les Mg, Cu, Ag, Ni, Zn, Sr, Ce et La, résulte en une augmentation des valeurs de contrainte ultime et de limite d'élasticité et en une diminution des valeurs de déformation de l'alliage de base 413.0, suite aux traitements thermiques de mise en solution, de trempe et de vieillissement artificiel. Les alliages modifiés au strontium montrent des valeurs élevées de contrainte ultime, de limite d'élasticité et de ductilité en raison du changement de morphologie des particules de silicium eutectiques, à partir d'une forme grossière de flocon jusqu'à une forme fibreuse fine. De même, les résultats démontrent que les alliages modifiés au Sr auxquels du phosphore (P) a été ajouté, possèdent des valeurs de déformation de l'ordre de 4 à 12%, ce qui est bien supérieur à la valeur de déformation minimale de 2% ciblée pour l'alliage de base 413.0 modifié au Sr dans le cadre de ce travail. Ainsi, des compromis seront faits entre la nécessité d'obtenir des valeurs élevées de contrainte ultime et de limite d'élasticité d'une part et celle d'obtenir une ductilité qui soit suffisante, d'autre part.