L'alliage 319 Al-Si-Cu-Mg est utilisé dans une grande variété d'applications, plus Particulièrement dans l'industrie de l'automobile et de l'aérospatiale à cause de sa facilité de mise en forme par moulage, sa bonne usinabilité, sa haute conductivité thermique ainsi qu'à son bas coefficient d'expansion thermique. De plus, cet alliage peut être traité (traitement thermique) pour obtenir une combinaison optimale de résistance et de ductilité. Les propriétés mécaniques de l'alliage 319 sont déterminées principalement par sa composition chimique, la procédure suivie lors de la fusion de l'alliage, la technique de mise en forme employée et par le type de traitement thermique qu'il subit. Comme cet alliage est obtenu à partir de métal recyclé, il contient plusieurs éléments divers en quantité variable. La composition désirée de chaque élément est obtenue grâce à différents procédés de nettoyage qui sont coûteux et souvent très dommageables pour l'environnement. Le magnésium est l'un de ces éléments dont la proportion doit être inférieure à 0.10 % pour répondre aux normes de l'industrie nord-américaine. D'après des études récentes, cette limite de 0.10 % semble injustifiée. Ces dernières ont démontré qu'une quantité supérieure de magnésium influence peu les propriétés mécaniques de l'alliage sauf peut être la ductilité. D'autres études encore, ont démontré qu'avec l'addition de différents éléments tels le strontium (Sr) pour modifier la structure (modification de la phase de silicium eutectique) et le TiB2 pour affiner le grain des alliages d'aluminium, on pouvait améliorer les propriétés mécaniques de ces derniers. L'objectif de ce travail est de déterminer s'il est possible pour l'alliage 319 ayant une proportion en magnésium supérieur à 0.10 % (i.e. « 0.45 %) de retrouver et même d'améliorer les propriétés de fonderie et les propriétés mécaniques de l'alliage de base en passant par la modification et raffinement de la taille du grain de celui-ci. La propriété de fonderie qui nous intéresse plus particulièrement dans cette étude est la fluidité. Les propriétés mécaniques qui ont été étudiées sont respectivement la limite élastique, la limite ultime et le pourcentage d'allongement à la rupture. La propriété de fonderie, la fluidité, a été étudié à l'aide de la technique Ragone pour déterminer de façon quantitative l'influence du magnésium, de la modification par le strontium ainsi que l'affinage du grain par le TiB2 sur cette propriété très importante de l'alliage. Dans un même temps, toujours pour s'assurer de la qualité de l'alliage, des radiographies d'éprouvettes de traction ont été effectué afin de vérifier les défauts (vides, porosités) qui pouvaient survenir dans l'alliage après coulée. Les propriétés mécaniques de traction ont été étudiées dans le but d'optimiser le traitement thermique T5 et le traitement de vieillissement T6 (la mise en solution et la trempe du traitement thermique T6 ayant déjà été optimisé pour cet alliage par notre groupe de recherche dans des études antérieures). Par la suite, l'influence de plusieurs paramètres a été étudiée par des essais de traction, par la métallographie optique et par la fractographie (étude du mode de rupture) à l'aide de différents appareils. Les paramètres qui nous intéressent plus spécialement dans cette partie du travail sont : l'addition de Mg, la modification de la phase de silicium eutectique par le Sr, raffinement de la taille du grain par le TiB2 ainsi que la température et le temps de vieillissement.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche visant à étudier l'impact de l'hydrogène dans les alliages d'aluminium et à mesurer par différentes méthodes la solubilité de ce gaz dans le métal liquide. L'objet de ce mémoire de maîtrise porte particulièrement sur la cinétique de dégazage et d'absorption de l'hydrogène dans deux composites de type DURALCANMD, produits par une usine pilote de la compagnie ALCAN: l'un pouvant être mis en forme par filage [W6D.22A ou 6061/Al2O3(p)] et l'autre développé spécialement pour les applications en fonderie [F3S.20S ou Al-Si-Mg/SiC{p)]. L'objectif principal est d'étudier l'effet des particules de renfort (A12O3, SiC) sur la cinétique et le mécanisme d'absorption de l'hydrogène dans ces matériaux hétérogènes. Il s'agit d'un travail original et d'intérêt tant sur le plan scientifique qu'industriel. Les variations des teneurs en hydrogène en fonction du temps dans les composites susmentionnées sont évaluées dans différentes conditions expérimentales favorisant soit l'absorption ou le dégazage de ce gaz. Un appareil de type "Alscan" est utilisé pour évaluer le dosage d'hydrogène. Pour fins de comparaison, les mêmes expériences sont réalisées parallèlement avec les alliages constituant les matrices de ces deux composites. Les résultats expérimentaux sont présentés sous forme de courbes montrant l'évolution de la teneur en hydrogène en fonction du temps. L'analyse de ces données à l'aide d'un modèle mathématique simplifié permet de mettre en évidence et d'évaluer les paramètres cinétiques des processus d'absorption et de dégazage des deux composites et de leurs matrices. Les paramètres ainsi déterminés sont nettement différents d'un composite à l'autre; ils montrent notamment que la vitesse d'absorption d'hydrogène dans le composite contenant des particules d'alumine est plus grande que dans le cas où le carbure de silicium constitue les éléments de renfort. Ces résultats discutés en considérant le rôle de la couche d'oxyde qui flotte sur le métal liquide et la composition des alliages constituant les matrices des deux composites. L'effet des conditions environnementales sur la cinétique d'absorption d'hydrogène est étudié. On observe que la teneur d'hydrogène dissous dans le liquide atteint une valeur d'équilibre qui est fonction de la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'atmosphère; la relation [H] - pHO obéit à la loi de Sieverts. La vitesse d'absorption d'hydrogène est évidemment fonction du taux d'humidité dans l'air, principale variable et force motrice du processus; cependant, les coefficients de transfert de masse développés dans le modèle mathématique demeurent les mêmes pour un composite ou un alliage donné, peu importe les conditions environnementales. Le temps nécessaire pour absorber l'hydrogène jusqu'à la moitié de la valeur d'équilibre est évalué dans différentes conditions expérimentales. Ces calculs montrent que ce temps est de l'ordre d'une demi-heure et qu'il est plus court pour les composites que leurs matrices correspondantes en alliage d'aluminium. L'effet du rapport surface libre (A) de métal fondu sur son volume (V) fait également l'objet d'expériences. Les résultats montrent que le taux d'absorption de l'hydrogène est directement proportionnel au rapport (A/V); on doit donc en conclure que le processus est contrôlé par les réactions et la diffusion aux interfaces avec la couche d'oxyde qui se forme au-dessus du matériau liquide.

La détérioration de l'environnement préoccupe de plus en plus la population et les procédés industriels qui sont polluants ne sont plus acceptés. Dans l'industrie de l'aluminium, le traitement au chlore (très polluant) est le seul moyen efficace pour diminuer la quantité de magnésium dans le métal liquide d'où l'importance de s'assurer que tous les traitements sont strictement nécessaires. L'alliage recyclé 319 est produit à partir de différents rebuts d'aluminium dont la composition chimique est éloignée de celle visée. Pour atteindre la composition chimique de l'alliage 319, les rebuts doivent être traités par différents procédés dont le traitement au chlore. En justifiant l'augmentation du titre en magnésium dans l'alliage 319, on évite le traitement au chlore ce qui permet de réduire les coûts de production tout en diminuant les émissions polluantes dans l'environnement. L'objectif de cette étude est de déterminer si l'augmentation du titre en magnésium a des effets nuisibles sur les différentes propriétés de l'alliage 319. Plusieurs propriétés furent étudiées i.e. les propriétés de fonderie (propreté et fluidité), le processus de solidification et les propriétés mécaniques de traction. Les propriétés de fonderie (i.e la qualité du métal liquide) furent étudiées principalement via la technique PoDFA (Porous Disc Filtration Apparatus). Cet appareil permet l'identification et l'évaluation de la concentration des différents types d'inclusions en présence dans l'alliage. Les essais PoDFA furent effectués en fonction du titre en magnésium et du temps de sédimentation des inclusions. La fluidité du métal a également été mesurée pour s'assurer qu'elle reste inaffectée par l'addition du magnésium. Le processus de solidification du métal liquide fut étudié principalement par le biais de l'analyse thermique. La composition chimique de l'alliage et la vitesse de solidification sont les principaux paramètres qui influencent ce processus. Les résultats obtenus ont été confirmés par un certain nombre d'essais de calorimétrie à balayage différentiel. Les propriétés mécaniques de traction ont été étudiées en tentant d'optimiser le traitement de mise en solution de l'alliage 319.2. Dans cette phase du travail, l'influence de plusieurs paramètres fut analysée par des essais de traction, par la métallographie optique ou par la fractographie. Les paramètres qui furent étudiés sont: la composition chimique, le temps de traitement, la température de traitement, la température de trempe et le traitement en deux paliers. L'étude de la phase de silicium eutectique a été effectuée à l'aide d'un analyseur d'images de type LECO 2001. La présence de certains défauts fut également observée et leurs effets sur les propriétés mécaniques furent évalués.

La porosité peut diminuer considérablement les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium. Cette étude a pour objectif de mesurer l'importance de certains paramètres chimiques et thermiques agissant sur la porosité dans l'alliage AI-9%Si-3% Cu. Une étude bibliographique permet de mieux comprendre les mécanismes de formation de la porosité. Elle passe aussi en revue les principaux facteurs influant sur la porosité. La méthode utilisée pour construire la campagne d'expérience permettant de mesurer l'importance des effets des paramètres est celle du modèle factoriel à deux niveaux. Cette méthode permet de mesurer plusieurs paramètres et interactions avec le moins d'expérience possible. Le moule servant à couler les alliages possède une paroi pivotante permettant ainsi de faire varier la vitesse de solidification verticale. Aussi, ce moule est inclinable de façon à diminuer le plus possible la turbulence lors du remplissage. Pour chaque coulée, des échantillons pour l'analyse chimique et pour l'évaluation de la teneur en hydrogène furent produits. Une analyse thermique a également été effectuée avec des thermocouples positionnés dans le moule afin de caractériser les conditions de refroidissement subits dans les lingots. Une mince plaque fut extraite de chaque lingot pour en faire une analyse radiographique. Des échantillons furent extraits de chaque lingot pour en observer la porosité à l'aide d'un microscope relié à un analyseur d'image. Plusieurs paramètres d'observations de la porosité ont été étudiés, notamment les densités des pores et les valeurs moyennes et maximales de la longueur et de l'aire. On a pu constater que la distribution de la porosité en fonction de la longueur est d'abord exponentielle pour les petits pores et devient ensuite irrégulière pour les pores plus gros. Une procédure de mesure fut développée afin d'améliorer la précision des mesures. Finalement, la méthode factorielle et une analyse de régression multiple furent utilisées en parallèle pour dégager les effets de chaque paramètre.

L'objet de ce travail est l'étude des propriétés mécaniques, de la microstructure et du mode rupture de l'alliage d'aluminium 319.2. Afin de réaliser une étude complète, nous avons utilisé 600 kg d'alliage afin de concevoir un peut plus de 800 échantillons. Ces échantillons ont subi différents traitements thermiques et ils ont été testés sur une machine d'essais de traction pour l'analyse des propriétés mécaniques. Certains échantillons ont été polis pour l'analyse de la microstructure et du mode de rupture. La surface de rupture a été analysée avec un microscope électronique à balayage. Nous commençons ce travail par une étude bibliographique complète sur les techniques de nettoyages du métal, les traitements thermiques et les caractéristiques mécaniques des alliages de base Al-Si. Par la suite, nous décrivons les techniques utilisées pour réaliser cette étude. Pour concevoir les échantillons nous avons utilisé deux procédures différentes. Avec la première, nous coulons le métal (735±5°C) directement dans un moule Stahl (450±5°C). Pour la seconde procédure, nous coulons le métal (735±5°C) dans un filtre d'alumine de 1,5 pouce d'épaisseur et avec une distribution de 15 pores par pouce. Le filtre est à la température de 700°C et le moule stahl est à la température de 400±5°C. Les traitements de mise en solution sont réalisés dans un four conventionnel où nous retrouvons un gradient thermique de 20°C, le second four est à air forcé et la variation de la température est seulement de 2°C. Les échantillons traités dans le four conventionnel sont ceux qui n'ont pas subit de filtration. Les températures choisies sont: 465±10°C, 490±10°C, 505±10°C et 525±10°C pour un temps de maintien variant de 0 à 24 heures. Dans le four à air forcé, nous avons traité seulement les échantillons filtrés, les températures sont: 480±l°C, 505±l°C, 515±1°C et 540±l°C et le temps de maintien varie de 0 à 24 heures. Suite aux essais de traction réalisés sur ces échantillons, nous constatons que le four conventionnel nous donne une ductilité plus élevée mais une résistance aux contraintes plus faible que celles des échantillons traités dans le four à air forcé. Les inclusions présentes dans les échantillons affectent très peu la limite élastique. Mais la limite ultime et la déformation sont devenues presque semblables aux échantillons après coulée. Nous avons calculé la constante de l'indice de qualité pour chacun des traitements réalisés dans le four à air forcé. Afin d'obtenir une constante commune pour tous les traitements de mise en solution, nous avons calculé la moyenne pondérée. Le résultat nous donne une valeur de 124 MPa pour la constante k. Le traitement de mise en solution optimum est réalisé à la température de 515°C pour un temps de maintien de 8 heures. Les traitements de mise en solution réalisés à la température de 540°C provoquent une fragilisation de l'alliage. Mais on peut éviter cette fragilisation en contrôlant le refroidissement jusqu'à 515°C et par la suite on peut tremper l'échantillon sans obtenir une fragilisation. La fragilité de l'alliage provient de la fonte de la phase CuAl2 et de sa précipitation durant la trempe en deux phases, une phase eutectique et une sans structure interne. Après avoir déterminé le traitement de mise en solution optimal, nous avons fait subir aux échantillon un traitement de vieillissement. Les températures sont les suivantes: 155±1°C, 180±l°C, 200±l°C et 220±l°C et nous avons un intervalle de temps qui varie de 0 à 24 heures. Nous avons calculé les constantes de l'équation de la qualité pour chacun des traitements. Ensuite nous avons calculé la moyenne pondérée des valeurs obtenues. Suite à ces résultats, nous avons utilisé la valeur de 108 MPa pour la constante k. En calculant l'indice de qualité des différents traitements de vieillissement, nous constatons que la température de 180°C dans l'intervalle de 2 à 8 heures donne les meilleurs résultats.

Lors du refroidissement dans un moule métallique, les échanges thermiques entre le métal et le moule sont directement influencés par certains paramètres: la température du moule au moment de la coulée, le type de revêtement de surface et son épaisseur. L'objectif de cette étude est l'analyse du rôle de ces facteurs sur le coefficient transitoire de transfert de chaleur à l'interface moule/métal pour de l'aluminium pur et pour des alliages aluminium-silicium. Des expériences de solidification radiale sont réalisées. Les courbes de refroidissement dans le métal et dans le moule sont traitées à l'aide d'une méthode numérique afin de calculer le coefficient de transfert de chaleur. Pour le cas de l'alliage aluminium/silicium hypoeutectique, une méthode particulière de détermination de la fraction liquide lors de la discrétisation et de la résolution du système a été développée. Les différents revêtements sont étudiés, conducteur et isolant à différentes épaisseurs, avec deux températures de préchauffage du moule (200°C et 350°C). Les calculs numériques sont complétés d'observations des états de surface des revêtements et d'analyses macrographiques des échantillons tirés des éprouvettes. Les résultats obtenus permettent de caractériser les conditions de refroidissement à l'interface suivant les conditions expérimentales retenues. L'influence du revêtement se constate surtout sur la première partie de la courbe du coefficient transitoire de transfert à l'interface (hint en fonction du temps), un revêtement conducteur donne une montée de hint plus forte qu'un revêtement isolant. La température de préchauffage du moule avant l'expérience a une action visible sur la valeur maximale du coefficient de transfert de chaleur (hmax). Lors du refroidissement et de la solidification de l'alliage coulé, si le taux de refroidissement est très fort, le métal a tendance à se contracter plus vite et l'interstice d'air ainsi créé tend à ralentir les échanges thermiques.

Les composites à matrice métallique (CMM) et particules de SiC offrent potentiel de résistance, de module de Young et de tenue à l'usure supérieurs à ceux obtenus couramment par les alliages conventionnels. Le mélange de particules de carbure de silicium au métal liquide est considéré, en principe, pour être la manière la plus directe et la plus économique de production des CMM où le matériau composite peut être transformé directement en pièce moulée. Dans le présent travail, certains facteurs importants influençant la microstructure et les propriétés finales des composites contenant 10% (volumique) de particules de SiC sont particulièrement étudiés. Ces facteurs comprennent la quantité de silicium de 1' alliage de la matrice (7 et 10% en masse), la vitesse de refroidissement qui influencent la distribution des particules et l'effet de renforcement. L'effet du traitement thermique de mise en solution (T4) sur les deux alliages F3A.10S et F3S.10S est étudié. La mise en solution est effectuée à une température de 540°C, le temps de mise en solution étant de 4, 8,12 et 24 heures. Les températures et le temps de vieillissement varient respectivement de 155 à 160°C et de 5 à 24 heures. Les paramètres étudiés sont la limite élastique, la limite ultime, l'allongement à la rupture. L'examen métallographique montre un développement graduel de la structure de l?eutectique, suite au traitement de mise en solution. Le traitement de mise en solution optimal se situe autour de 540°C pour des temps de l'ordre de 8 à 12 heures. Pendant le traitement de mise en solution, nous observons un phénomène de sphéroïdisation du silicium (forme, aspect ratio et taille en um2) et une mise en solution du magnésium avec une stabilisation des propriétés mécaniques (résistance à la traction). Durant le traitement de vieillissement, il y a précipitation de composé Mg2Si qui influence les propriétés mécaniques finales.

Un réacteur expérimental est construit qui permet de fondre, solidifier et purifier de l'aluminium par cristallisation fractionnée. La température du métal liquide, l'agitation et le refroidissement peuvent être variés pour permettre d'étudier différents paramètres du procédé de cristallisation. L'opération du réacteur ainsi que les essais faits à partir d'aluminium de pureté commerciale (99.7- 99.85%) sont décrits dans ce mémoire. Le réacteur possède une capacité de 200 kg d'aluminium. Le réacteur permet de purifier un mélange de 99.7 à plus de 99.9% du pureté. Un modèle mathématique pour simuler la solidification de l'aluminium dans le réacteur expérimental est aussi construit. Le modèle permet de simuler les transferts de chaleur et de masse présents dans le réacteur durant le procédé de cristallisation en fonction de la vitesse d'agitation de l'aluminium liquide et du débit du fluide refroidissant dans le réacteur. La modélisation du transfert de chaleur se fait par une méthode explicite en différences finies. Le transfert de masse est solutionné par un bilan autour de l'interface solide-liquide à la frontière de la solidification en y incorporant les coefficients de distribution des impuretés dans les phases liquide et solide. Le modèle permet de prédire les températures du fluide refroidissant et des parois du réacteur durant la solidification. Par le transfert de masse, le modèle prédit la concentration des impuretés telles que le fer et le silicium dans le solide cristallisé à partir des concentrations de ces mêmes impuretés dans le mélange liquide de départ. Finalement, une validation du modèle est obtenue par comparaison avec des données expérimentales.

La connaissance approfondie du comportement mécanique de ces nouveaux matériaux de pointe que sont les composites à matrice d'aluminium renforcé de particules (CMAp) permettra de faciliter leur insertion sur les marchés. De ce fait, l'étude de l'effet des défauts ou inclusions sur les propriétés en traction des CMAp est nécessaire afin d'établir les contrôles de qualité à leur égard. Cette étude a été réalisée sur un CMAp commercial, soit le Duralcan F3S.20S. Un certain nombre de phénomènes et problèmes liés à la production du composite Al-Si/SiCp ont été considéré en introduction, soit: la propreté de la matrice métallique; la structure de l'interface SiC/Al; la rhéologie; la réactivité des constituants du mélange; la sédimentation lors de l'arrêt du brassage; l'effet du mouvement de surface; oxydes entraînés sous forme de fragments de peaux d'oxydes; gaz entraîné à l'intérieur du mélange; les conditions de solidification (ségrégation des particules). L'échantillonnage provient de composites élaborés puis refondus à une échelle suffisamment grande, afin d'obtenir des conditions connues et bien contrôlées et ainsi s'assurer que les facteurs ci-haut mentionnés ne varient pas de façon significative d'une éprouvette à l'autre. Ainsi, le composite provient de l'usine Dubuc, une division d'Alcan Aluminium limitée, qui produit le composite Duralcan à une échelle industrielle depuis plusieurs années par la méthode de malaxage. Plus de deux cents éprouvettes normalisées ont été moulées dans les laboratoires du centre de recherche et de développement d'Arvida (CRDA) d'Alcan international. Les essais de traction et les examens réalisés sur les éprouvettes de composite Duralcan F3S.20S, ont permis de constater que l'amorce de la rupture se situe toujours sur des défauts macroscopiques. Ces défauts consistent le plus souvent, en des replis de peaux d'oxydes de couleur gris clair ayant une taille moyenne de 1 à 3 mm. Lorsque les défauts obtenus après refonte et moulage sont petits (<2 mm), la probabilité qu'ils laissent des empreintes visibles sur le film exposé aux R-X est faible; cette probabilité augmente avec la taille des défauts. On a constaté que les examens radiographiques sont une méthode valable pour déceler la présence de grands défauts (>3 mm), et par le fait même, pour prédire les propriétés associées à la présence de tels défauts. La présentation des propriétés mécaniques en tension a été effectuée à l'aide d'un indice de qualité dérivé de celui utilisé pour les alliages de fonderie Al/Si. L'indice de qualité utilisé, indice Q*, s'est révélé un outil très sensible à la présence de défauts et de ce fait, il a permis d'établir une comparaison précise avec la théorie de la rupture. Les essais et calculs réalisés dans le cadre de la présente étude, montrent une bonne correspondance entre les résultats expérimentaux et les valeurs obtenues à l'aide de la théorie de la rupture, faisant intervenir la présence de défauts. Ces valeurs théoriques sont calculées en utilisant le facteur critique d'intensité de contrainte et en considérant le défaut comme une fissure elliptique interne ayant une longueur définie. Les résultats expérimentaux obtenus, lors des essais sur les éprouvettes Duralcan, se situent en fait, entre le modèle de la mécanique élastique linéaire et celui de la mécanique élasto-plastique (profil équivalent d'Irwin). On observe cependant, lorsque les défauts sont petits (<1,3 mm), que les données expérimentales sont plus faibles que celles calculées à l'aide de la mécanique de la rupture. Ce comportement est fort probablement attribuable à la prédominance des facteurs intrinsèques, associés au mode de fabrication du composite, comme par exemple, les zones de densité élevée en particules de renfort ou en pores résultant de la ségrégation. L'analyse de la distribution des propriétés mécaniques en fonction de la taille des défauts permet de bien cerner l'importance de la propreté du composite. Ainsi en gardant constant les paramètres intrinsèques qui résultent notamment de la solidification, on peut suggérer d'effectuer une filtration du composite au moment du moulage. Pour atteindre des propriétés mécaniques optimales, cette filtration devrait éliminer les peaux et replis de peaux d'oxydes supérieurs à l mm. Finalement, les résultats de la présente étude montrent que les caractéristiques mécaniques du composite Duralcan F3S.20S sont prévisibles et varient peu, d'un échantillon à l'autre, lorsque toutes les précautions sont prises afin d'éviter la présence de défauts extrinsèques.

L'objectif des travaux réalisés est de développer des stratégies de contrôle pour une suspension active de véhicule automobile. Pour atteindre cet objectif, différents modèles analytiques ont été mis au point pour simuler la réponse de la suspension à différentes perturbations. Ces modèles comprennent les éléments passifs représentant le véhicule, les actionneurs et les différentes lois de contrôle étudiées. Au cours des travaux, les principales stratégies utilisées dans la littérature ont été évaluées afin de cibler les avantages et les inconvénients leur étant reliés. Suite à ces résultats, un système actif incluant des capteurs de mouvement de suspension, des gains fixes et des filtres d'ordre limités a été développé en utilisant les algorithmes génétiques. Les résultats obtenus montrent une amélioration appréciable de la performance pour un modèle de véhicule à quatre degrés de liberté.