Le présent travail vise à étudier les effets des additifs sur les propriétés mécaniques ainsi que sur l'usinabilité d'un nouvel alliage de fonderie, le 220 (Al-2%Cu-1.3%Si-0.4%Mg), destinés à des applications automobiles. Ce travail de recherche a été accompli à travers deux types d'étude : (i) l'étude des propriétés mécaniques (ii) et l'étude de l'usinabilité. L'étude des propriétés mécaniques visait à examiner les effets du Sr, Ti, Zr, Fe, Mn et Ag en plus des éléments de décolletage, Sn et Bi, sur les propriétés mécaniques de l'alliage 220 aux conditions tel que coulée et traitée thermiquement. Les propriétés mécaniques en question incluant la traction, la dureté et la resilience lesquelles ont tous été évaluées à la température ambiante. L'étude de l'usinabilité a été consacrée à l'examen des performances de perçage et de taraudage de quatre alliages basés sur le 220 ainsi que sur l'alliage A206 qui a été sélectionné dans le but d'une étude comparative sur l'usinabilité sur celui-ci et celle du 220. Les quatre alliages sélectionnés parmi les alliages préparés pour la première étude incluent : (i) l'alliage 220, (ii) l'alliage 220 + Ti + Zr, (iii) l'alliage 220 + Ti + Zr + Sn et (iv) l'alliage 220 + Ti + Zr + Bi. Les performances d'usinage ont été évaluées en terme de force de coupe, de moment de coupe et de durée de vie de l'outil aussi bien que par la caractérisation des copeaux. La durée de vie de l'outil est exprimée en termes de nombre de trous percés ou taraudés avant que l'outil ne cède. Une évaluation microstructurale révèle que les phases A^Cu, AlsMgsSiôCui, et le script chinois ct-Ali5(Fe,Mn)3Si2 sont les principaux constituants de la microstructure de l'alliage 220. L'absence de particule libre de Si dans la microstructure implique que le silicium a été consommé sous forme de phases intermétalliques Al-Fe-Si et Al-Cu-Mg-Si. Les plaquettes de la phase /J-AlsFeSi ne sont pas en évidence en raison du haut ratio Mn: Fe (~ 1) de l'alliage 220 qui favorise la formation de la phase ct-Fe au dépend de la phase /?-Fe. L'ajout de Sr affine la morphologie de la phase de script chinois ct-Fe dans une certaine mesure, résultant à une distribution égale des particules de cette phase dans la matrice d'aluminium. L'ajout combiné de Ti et Zr provoque une diminution de la taille des grains de 68% par rapport à l'alliage de base 220 non-affiné. Cette réduction peut-être attribuable à la formation de particules Zr-Ti qui agissent comme sites de nucléation pour les petits grains équiaxes de a-Al. Les précipités d'étain formant les particules /?-Sn qui apparaissent sous forme de petites grappes réparties aléatoirement, se solidifient habituellement au sein du réseau de phase AI2CU. Après le traitement thermique, des particules de Bi et de /?-Sn ont été trouvés non dissoutes dans la matrice d'aluminium, rendant ainsi possible leur action de décolletage pendant l'usinage. L'évaluation des propriétés mécaniques montrent que l'effet du Sr sur les propriétés mécaniques à l'égard de la modification du silicium eutectique n'entre pas enjeu et ce en raison de la faible teneur en Si. Le rôle du Sr d'affiner la morphologie de la phase de script chinois a-Fe contribue à une légère amélioration de la ductilité et la ténacité. L'ajout de zirconium produit une amélioration marquée des propriétés mécaniques dans la condition telle que coulée et après traitement thermique en raison de son action d'affinage de grains.1 1 Une quantité excessive de Fe augmente la précipitation des particules de script eliiiiuis u-Fe réduisant ainsi les propriétés de traction et de resilience. L'ajout subséquent de Mn augmente légèrement la limite élastique et la limite ultime sans créer de changement observable pour la ductilité et la ténacité. Contrairement aux attentes, l'ajout d'argent ne produit pas d'augmentation considérable dans les propriétés de résistance (YS et UTS) ou dans les valeurs de dureté pour les conditions traitées. Ces résultats sont attribuable à la présence de Si qui favorise la formation de la phase Mg-Si au début du vieillissement, qui à son tour réduit le nombre de co-amas Mg-Ag, appelés à servir de sites de nucléation efficaces pour les précipités de durcissement. L'addition de Sn diminue les propriétés de résistance et les valeurs de dureté mais augmente la ductilité et la ténacité dans l'état tel que coulé en raison de l'effet d'adoucissement de la phase Sn. Dans les conditions de traitement, la réduction causés aux propriétés de résistance et de dureté est principalement attribuable à la formation de porosité associée à la fonte de Sn pendant le traitement de mise en solution et le remplacement du Si par le Sn dans les composés de Mg, ce qui à son tour, entrave la précipitation de la phase de Mg lors du durcissement. La présence de Bi sous forme de particules fragiles non dissoutes réduit mécaniquement les propriétés de traction et de resilience dans l'état tel que coulé. Ces particules, en liaison avec l'interaction Bi-Mg qui consomme le Mg libre disponible pour former la phase de durcissement Mg, sont responsables de la réduction causée aux propriétés mécaniques dans les conditions traitées. Les caractéristiques de vieillissement révèlent qu'un traitement à 180°C entraîne un durcissement de l'alliage pour des temps allant de 2 à 16 heures, alors qu'un traitement à 220°C cause un sur-revenu qui occasionne un adoucissement après 2 heures de vieillissement. La présence de plusieurs phases de durcissement dans le système d'alliage Al-Cu-Si-Mg, y compris 9 (AI2CU), /? (Mg2Si), et Q (AlsMggSiôCui), qui ne doivent pas céder à tous croissance simultanément, conserve les propriétés de résistance et les valeurs de dureté à des niveaux élevés, sans aucun recul pour un vieillissement à 180°C allant jusqu'à 16 heures. Basé sur cette enquête, afin de maintenir un compromis satisfaisant entre la résistance et la ductilité, un traitement T6, réalisé à 180°C pour des temps de vieillissement allant de 2 à 8 heures, est recommandé pour le nouvel alliage Al-Cu. Pour les essais d'usinage, les résultats montrent que tous les alliages étudiés ont atteint un taux d'usinabilité supérieur tout en respectant la durée de vie de l'outil qui peut dépasser 2500 trous. Ces résultats pour la durée de vie de l'outil sont compatibles avec le fait qu'il n'y a pas eu d'usure importante sur le foret ou de changement observable dans la largeur de la l'arête (BUE) pendant le processus de forage. L'addition de Sn et Bi améliore considérablement l'usinabilité en diminuant la force totale de forage pendant la période d'évaluation par des valeurs moyennes de 14% et 25%, respectivement, par rapport à l'alliage de base 220. Le moment total de forage a été réduit d'à peu près les mêmes valeurs. Une inspection des copeaux de forage révèle que les alliages de base 220 produits des copeaux en forme d'éventail à l'exception des alliages contenant du Bi, les copeaux ont tendance à prendre une forme d'aiguille. L'ajout de Bi augmente la fragmentation des copeaux de 70% par rapport à l'alliage de base 220, alors qu'aucun changement pour lesIl l caractéristiques des copeaux a été causé par l'addition de Sn. De par sa ductilité supérieure, l'alliage A206 est apte à produire des copeaux coniques longs et continus et affiche une fragmentation qui est 32% inférieure à celle de l'alliage 220. Les résultats de taraudage montrent que les additifs ont le même effet sur la force et le moment de taraudage que celle observée pour les essais de forage. Le taraud, cependant, affiche une durée de vie plus courte par rapport à le foret pour toutes les conditions d'alliage étudiées. Une telle diminution de la durée de vie peut être attribuable à une plus grande sensibilité du taraud en acier rapide à l'effort de coupe par rapport au foret en carbure. Une étude comparative menée sur le comportement d'usinage de l'alliage 220 et celui des alliages A206, 356, B319, A319 révèle que l'alliage 220 peut être proposé comme une alternative moins dispendieuse et plus légère pour une utilisation dans les applications d'usinage des alliages A206. Cette conclusion est solidement fondée sur la convergence des résultats pour les deux alliages à l'égard des forces et des moments de forage, ainsi que sur l'amélioration relative des caractéristiques des copeaux obtenus de l'alliage 220. La comparaison montre également que l'usinabilité de l'alliage 220 peut être un compromis acceptable entre ceux des alliages 356 et B319, d'une part, et celle de l'alliage A319 de l'autre.

La resilience est une propriété mécanique qui a pris de l'importance au cours des dernières années. Les données de la resilience sont utilisées pour optimiser les paramètres de conception puisqu'elles fournissent un moyen de comparaison et d'évaluation de la ductilité des alliages dans des conditions de haut taux de déformation. L'un des tests les plus répandus pour mesurer l'énergie de resilience d'un matériau donné est l'essai de resilience Charpy, qui a évolué pour devenir aujourd'hui un outil qualitatif pour la sélection des matériaux et pour étudier les effets des changements de microstructure sur la ténacité des matériaux. Le but principal de ce travail est d'étudier les effets de la modification au Sr, des phases intermétalliques à base de fer et des conditions de vieillissement sur la resilience des alliages commerciaux 356 et 319. La parfaite compréhension de tels paramètres quant à ces alliages serviront également de base de référence pour la caractérisation des propriétés de resilience du nouvel alliage Al-Si 396, lequel étant présentement étudié dans le cadre du programme de recherche de développement d'alliage. Les résultats obtenus de cette étude ont été analysés par rapport aux effets de ces paramètres sur l'énergie totale absorbée (ET), de l'énergie initiation de fissure (Ei) et de l'énergie de propagation de la fissure (Ep). La rupture se produisant dans les alliages 356, 319, et 396 non-modifiés et modifiés au Sr contenant différents niveaux d'additions a également été étudiée. L'énergie totale absorbée a été mesurée en utilisant une machine d'essai de resilience Charpy, de modèle SI-1D3 de SATEC Systems Inc. couplée à un système d'acquisition de données. Ces tests ont été effectués sur des échantillons sans entaille afin de mettre en évidence le rôle des paramètres métallurgiques sur l'initiation et la propagation de la fissure. Les dimensions de l'échantillon selon la norme ASTM-E23 sont de 10 x 10 x 55 mm. Les résultats de l'examen microstructural révèlent que l'alliage 356 non modifié tel que coulé affiche de grosses particules aciculaires de silicium eutectique. Dans l'alliage 356 tel que coulé, la phase pi-fer précipite soit en liaison étroite avec les plaquettes de la phase b-fer ou encore en particules indépendantes en forme de script. D'autre part, les aiguilles b-fer et les particules pi-fer semblent être se former loin des colonies de silicium eutectique modifié pour l'alliage 356 modifié. La mise en solution dissout complètement les particules de petite taille de la phase % dans la matrice, en particulier pour l'alliage 356 contenant de faibles niveaux de fer. Les particules de grande taille de la phase K semblent se dissoudre partiellement dans la matrice puisque le temps de mise en solution est insuffisant pour produire une dissolution complète. Il sera également observé que certaines aiguilles P subissent une striction et mènent ultimement à une fragmentation en plus petites aiguilles. Les résultats obtenus ont révélé que l'augmentation du niveau de fer diminue significativement les valeurs de l'énergie de resilience des alliages 356 et 319. L'ajout de 0,1% en poids de Mn aux alliages 319 et 356 non-modifiés semble avoir aucun effet observable sur les valeurs de l'énergie de resilience, en particulier par rapport aux valeurs obtenues pour les mêmes alliages ne contenant que du Fe. L'augmentation du niveau de Mn à 0,38% en poids produit une légère amélioration dans les valeurs de l'énergie de resilience pour les alliages 356 et 319 non-modifiés et modifiés par rapport aux alliages contenant uniquement du fer pour les conditions tel que coulé et après mise en solution. L'alliage 319 contenant différents niveaux de Fe-Mg combinée affiche des valeurs de l'énergie de resilience plus faible que celui ne contenant que du fer, quel que soit le niveau de fer. Une telle baisse de la valeur de l'énergie de resilience est plus prononcée après l'ajout de 0,28% en poids de Mg. La même observation a été faite dans le cas des additions combinées de Fe, Mn et Mg, à l'exception des conditions modifiées et après la mise en solution, où leurs valeurs de l'énergie de resilience demeurent presque inchangées. L'ajout de 200 PPM Sr dans les alliages 356 et 319 tel que coulés améliore légèrement les valeurs de l'énergie de resilience. Le traitement thermique couplé à la modification au Sr améliore l'énergie globale de resilience pour les alliages 356 et 319, en particulier pour les faibles niveaux d'additions. Les alliages modifiés montrent des valeurs plus élevées d'énergie de resilience par rapport aux alliages non modifiés dans les mêmes conditions, quel que soit le niveau des ajouts. L'augmentation du temps de vieillissement artificiel de l'alliage 356 non-modifié et modifié à 180°C jusqu'à 8 h diminue la valeur d'énergie de resilience comparée à celle obtenue après la mise en solution. D'autre part, le sur revenu à 220°C augmente progressivement les valeurs d'énergie de resilience en augmentant le temps de vieillissement jusqu'à 12 h. Une amélioration considérable de la valeur de l'énergie de resilience d'environ 20 J et 18 J a été observée pour les alliages 356 modifiés contenant 0,15% de Fe et l'addition combinée de 0,22% et 0,14% Mn, respectivement. L'alliage 319 contenant du fer présente le même comportement après un vieillissement à 180°C et à 220°C, toutefois, les valeurs de l'énergie de resilience après le vieillissement à 220°C pour différents temps sont légèrement inférieures à celles obtenues à 180°C. Les alliages 319 modifiés et non-modifiés contenant 0,18% Fe vieillis à 180°C pendant 12 h donnent la valeur d'énergie de resilience d'environ 12 J, la plus élevée parmi tous les alliages impliqués. Une variation similaire dans les valeurs de l'énergie de resilience des alliages 319 contenant des additions combinées de Fe-Mn et Fe-Mg est observée après un vieillissement à 180 ° C et 220 ° C à différents temps de vieillissement. Une légère augmentation de la valeur de l'énergie de resilience est observée pour les alliages 319 non-modifiés et modifiés après un vieillissement à 180°C soit pour 2 ou 12 h à comparer aux valeurs obtenues pour les alliages tel que coulés. Les alliages 319 modifiés contenant 0,3% en poids de Fe-Mn ont démontré des valeurs d'énergie de resilience plus élevées pour tous les temps de vieillissement à 220°C que celles obtenues pour les mêmes alliages mais après la mise en solution. Les valeurs de l'énergie de resilience pour l'alliage 396 présentent une amélioration similaire à celle observée pour les alliages hypoeutectiques 356 et 319 modifiés et traités thermiquement. Toutefois, l'alliage 396 donne des valeurs de resilience inférieures à celles obtenues pour les alliages 356 et 319. Le contenu quasi eutectique de silicium ~ 11% en poids avec la fraction volumique élevée de composés intermétalliques y compris les phases contenant du Cu et du Fe fourni un grand nombre de sites d'initiation de fissures et réduit ainsi les valeurs de l'énergie de resilience de l'alliage 396. L'effet des constituants de la microstructure est plus prononcé à une faible vitesse refroidissement (SDAS ~120um). Le comportement des alliages 396 est similaire pour les deux conditions de refroidissement, cependant les alliages refroidis à l'air, afficher les valeurs de l'énergie de resilience plus élevées que pour les alliages refroidis dans le four. L'augmentation du temps de vieillissement à 44 h à la température maximale du vieillissement de 180° C ne produit pratiquement pas de changement perceptible dans les valeurs de l'énergie resilience pour tous les alliages 396 étudiés. Le vieillissement artificiel à 240°C pendant 44 h produit une augmentation importante des valeurs de l'énergie de resilience à la suite de l'adoucissement, indépendamment de la composition des alliages. Le comportement à la rupture des alliages 356 non-modification contenant 0,15% de Fe est principalement contrôlée par les particules aciculaires de la phase Si eutectique tandis que les plaquettes /?-fer agissent en tant que sites d'initiation de fissures et facilitent la propagation des fissures pour les alliages non modifiés contenant 0,8 % de Fe. Les plaquettes /?-fer et les particules de la phase pi-fer contribuent largement à l'initiation et à la propagation de la fissure pour les alliages 356 modifiés contenant 0,9% de Fe. La fracture des alliages 319 est régie principalement par la phase intermétallique Al2Cu ainsi que les deux phases de fer : a-fer et /?-fer. La propagation de la fissure des alliages 396 se produit principalement à travers les phases intermétalliques A^Cu ou a-fer.

La présente étude a été réalisée en vue d'enquêter sur l'influence d'un certain nombre de paramètres métallurgiques sur les propriétés de traction et les indices de qualité de deux alliages de fonderie à haute résistance Al-9%Si, à savoir les alliages 354 et 359, contenant respectivement 1,8% Cu-0.5 % Mg et 0,5% Mg. Ces alliages ne sont que très peu utilisés par les fondeurs malgré le fait qu'ils sont prometteurs dans plusieurs domaines d'applications d'ingénierie en raison de leur résistance supérieure. Afin de valider leur utilisation dans des applications industrielles, une solide base de données a été créée grâce à la présente étude. De plus, une corrélation entre les propriétés de traction, les indices de qualité et les paramètres métallurgiques les plus communs affectant et contrôlant les propriétés de ces alliages a été réalisée. Les variables étudiées sont notamment le niveau de fer, la teneur en cuivre, le niveau de magnésium, la teneur en strontium, le taux de solidification, les températures et les temps des traitements thermiques (mise en solution et le vieillissement). Les chartes d'indice de qualité ont été utilisées comme outil d'évaluation pour sélectionner les conditions optimales à appliquer dans afin de développer une résistance élevée et une qualité optimale des alliages de fonderie 354 et 359. Une analyse des résultats montre que l'addition de fer a des effets délétères sur la force et la qualité des alliages 354 et 359. Ces effets sont liés à la taille et à la morphologie des phases contenant du fer, en particulier les phases jS-AlsFeSi et T-AlgMgsFeSié. L'addition de cuivre aux alliages de type 359 joue un rôle important dans l'amélioration de la résistance, cette amélioration se produit cependant au détriment de la ductilité et ainsi une faible influence sur l'indice de qualité est noté. L'ajout jusqu'à 0,6% de magnésium à l'alliage 359 améliore considérablement la résistance sans affecter l'indice de qualité. L'augmentation du niveau de Mg au-delà 0,6% se traduit par une légère augmentation de la résistance de l'alliage avec une réduction notable de la ductilité et de l'indice de qualité due à la formation d'une fraction volumique importante de la phase Pi-Al8Mg3FeSi6. Un taux de solidification rapide améliore les propriétés de traction et les indices de qualité des deux alliages 354 et 359. L'amélioration de ces propriétés des indices de qualité sont liés à l'amélioration des caractéristiques des microstructures qui accompagne le taux de solidification rapide, à savoir: le raffinement de la structure dendritique (c'est à dire une fine DAS), la modification des particules de silicium eutectique, la réduction du niveau de porosité et de la taille des pores, la réduction de la taille et de la fraction volumique des phases intermétalliques formées. Une augmentation de la température de mise en solution améliore la résistance et la qualité des pièces moulées par rapport à la condition telle que coulée. Conformément à ces constatations, les températures maximales sécuritaires de mise en solution de 520°C et de 537°C sont respectivement recommandées pour le traitement thermique de pièces moulées pour les alliages 354 et 359 afin de produire une résistance et un indice de qualité optimaux. Une mise en solution à ces températures produit un certain nombre des11 changements bénéfiques dans la microstructure ce qui se traduit par une amélioration importante de la résistance et de l'indice de qualité. Une mise en solution à des températures supérieures à 525°C entraîne la fonte naissante des phases AlaCu dans les alliages 354 et la formation d'un niveau élevé de porosité lors du retrait des pièces coulées après trempe. En conséquence de la fonte naissante, les particules de silicium dans la microstructure montrent une morphologie polygonale dans les régions où la fonte de la phase Al2Cu s'est produite. Une augmentation du temps de mise en solution améliore encore les propriétés de traction et les valeurs de l'indice de qualité des alliages 354 et 359. Douze heures a été jugé comme temps optimal pour le traitement thermique des pièces coulées. Le temps de mise en solution nécessaire pour obtenir des propriétés de traction et des indices de qualité spécifiques pour les alliages 354 et 359 non modifiés peut être raccourci en modifiant ces alliages avec le strontium. Toutefois, l'effet bénéfique de l'addition du Sr sur la réponse des alliages 354 et 359 diminue à mesure que le temps de mise en solution augmente. Un vieillissement à 155°C permet de produire une plus grande résistance et un indice de qualité optimal pour les deux alliages 354 et 359 par rapport à un vieillissement à des températures plus élevées. Le pic de résistance observée pour les alliages 354 et 359 peut être atteint après un temps de vieillissement plus court, à condition que la température de vieillissement soit accrue. Les temps de vieillissement nécessaire pour atteindre la résistance maximale pour l'alliage 354 sont de 72 heures, 40 heures, 8 heures, 1 heure et 15 minutes à des températures de vieillissement de 155°C, 170°C, 195°C, 220°C et 245°C respectivement, tandis que les temps de vieillissement nécessaires pour atteindre la résistance maximale dans l'alliage 359 sont de 32 heures, 24 heures, 1 heure, 30 minutes et 10 minutes respectivement, aux mêmes températures de vieillissement. Un traitement de vieillissement à haute température est accompagné d'une réduction des propriétés de traction et de la valeur de l'indice de qualité. D'autre part, ce traitement introduit aussi la possibilité de réaliser des gains économiques importants en diminuant le temps et le coût du traitement. Un vieillissement à basse température (Î55°C) produit des précipités fins et denses ayant un espacement plus petit entre les particules, tandis qu'à une température plus élevée (245 °C par exemple), les précipités sont moins denses, leur taille est plus grossière et ceux-ci sont dispersés plus largement dans la matrice. II a été observé que les alliages 354 ont affichés des niveaux de résistance plus élevés, comparé aux alliages 359 et ce, pour tous les traitements de vieillissement. Cependant, cette haute résistance a été obtenue au détriment de la ductilité, entraînant de légères variations dans les valeurs de l'indice de qualité des pièces coulées à partir de l'alliage 354. Les chartes des indices de qualité développées dans le cadre de cette recherche facilitent l'interprétation et l'évaluation des propriétés de traction des alliages 354 et 359 en vertu d'une variation des éléments d'alliage ajoutés, de la solidification et des conditions de traitement thermique étudiées. L'utilisation de ces chartes pour l'interprétation desm propriétés en traction fournit un moyen précis et logique pour déduire l'influence de ces paramètres métallurgiques sur ces alliages. Basée sur les chartes de qualité développées, il est possible de faire une sélection précise des conditions les plus appropriées requises pour obtenir le meilleur compromis possible entre la résistance d'un alliage, son indice de qualité et le coût de production.

Les alliages en aluminium sont en voie de devenir un matériau important dans la fabrication des pièces d'automobiles. Cette recherche a pour but d'étudier la capacité de l'alliage en aluminium de remplacer l'acier dans la fabrication des bras de contrôle de suspension des automobiles. La pièce en aluminium est conçue par des logiciels de modélisation et simulation utilisant la méthode ESO (Evalutionary Structural Optimization) qui permettent d'optimiser la forme et le poids de la pièce sous différents paramètres de contrainte. La résistance mécanique et les vibrations subis par les bras de suspension seront aussi analysées. Finalement, les résultats seront comparés avec les performances de l'acier.

Dans l’industrie de la mise en forme des matériaux métalliques, le frottement joue un rôle très important. Cependant, il est difficile à contrôler totalement, notamment dans les procédés complexes où le taux de nouvelles surfaces générées lors de la déformation plastique est important. La thèse propose d’identifier par analyse inverse les propriétés tribologiques du matériau, directement à partir de la courbe donnant la force en fonction du déplacement pour un procédé d'extrusion directe. La conception d’une filière d’extrusion, avec des dimensions optimales pour maximiser l’influence du frottement a été faite à l’aide de calculs analytiques en se basant sur des critères particuliers tels que: la capacité maximale de la presse, la maximisation de la longueur de frottement, le rapport entre la puissance de frottement et la puissance de déformation et la limite du taux de réduction pour éviter l’endommagement du matériau. Comme dans le procédé d’extrusion il existe un certain couplage entre l’influence des paramètres rhéologiques et des paramètres tribologiques, des tests de compression d’éprouvettes «haltères» ont été réalisés dans une première étape afin d’identifier la loi de comportement rhéologique du matériau. La conception du test proposé a été validée par des simulations numériques avec FORGE2®. Les simulations numériques ont été également effectuées pour analyser la sensibilité des paramètres rhéologiques et tribologiques du matériau sur la force d’extrusion. L’influence de la géométrie de la filière sur la courbe de force a été examinée en détail. Une campagne d’essais a été réalisée pour l’alliage d’aluminium AA5083. La loi de comportement du matériau a été en conséquence identifiée par analyse inverse à partir de la courbe expérimentale donnant la force de compression des éprouvettes «haltères». Dans une deuxième étape, les propriétés tribologiques du matériau pour différents modèles de frottement ont été ensuite identifiées par analyse inverse à partir de la courbe donnant la force d’extrusion. La méthode d’identification par analyse inverse a été enfin validée par la simulation d’un procédé industriel d’extrusion. La campagne d’études expérimentales a été complétée par la caractérisation du matériau par des mesures de dureté, des mesures de diffraction des rayons X et des mesures de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) afin de mettre en évidence l’évolution de la surface des pièces après la déformation plastique. Les résultats indiquent que le frottement a une influence importante sur l’évolution des orientations cristallines de la surface du matériau extrudé. / In the industry of metal forming, friction plays a very important role. However, it is difficult to control completely this phenomenon, especially in the complex processes where the rate of the new surface generated during the plastic deformation is important. The thesis proposes to identify by inverse analysis the tribological properties of material, directly starting from the curve of the load versus the displacement of a direct extrusion process. The design of an extrusion die, with optimal dimensions to maximize the influence of friction, was carried out using analytical calculations based on particular criteria such as: the maximum capacity of the press, the maximization of the friction length and of the ratio between the friction power and the deformation power, the limit of the reduction rate to avoid damage of the material. Since in the extrusion process there is a certain coupling between the influence of the rheological parameters and the tribological parameters, compression tests using "dumbbells" specimens were carried out in a first stage in order to identify the rheological behavior law of the material. The design of the proposed test has been validated by numerical simulations using FORGE2®. The numerical simulations were also performed in order to analyze the sensitivity of rheological and tribological parameters of the material on the extrusion load. The influence of the geometry of the die on the extrusion load curve has been examined in detail. A campaign of tests was carried out for the AA5083 aluminum alloy. The behavior law of the material was consequently identified by inverse analysis starting from the experimental load curve of compression tests using "dumbbells" specimens. In a second step, the tribological properties of the material for different friction models were then identified by inverse analysis starting from the extrusion load curve. The method of identification by inverse analysis was finally validated by the simulation of an industrial extrusion process. The campaign of experimental studies has been completed by the characterization of the material by measurements of hardness, X-ray diffraction measurements and electron backscattered diffraction (EBSD) measurements in order to highlight the evolution of the surface of the extruded specimen after the plastic deformation. The results indicate that friction has an important influence on the evolution of crystal orientations of the surface of the extruded material.

La corrosion dans les milieux industriels constitue un des principaux facteurs limitant la durée de vie des matériaux, ce qui occasionne de nombreux frais de remplacement ainsi que des pertes de productivité. Pour une sélection judicieuse des matériaux dans les milieux particulièrement agressifs, on doit souvent recourir à des essais normalisés effectués en laboratoire et/ou en usine dont la validité et la fiabilité n'ont pas toujours été clairement démontrées. Le présent mémoire présente un exemple illustrant un de ces cas où l'agressivité du milieu industriel, en l'occurrence le contexte existant à l'intérieur d'un collecteur de poussières à voie humide à la sortie des cuves Soderberg, a nécessité la réalisation d'essais de corrosion en laboratoire et en usine. Le but visé par cette expérimentation consistait à évaluer sur le plan scientifique le niveau de fiabilité des essais de corrosion en laboratoire pour estimer la durée de vie des matériaux, dans l'hypothèse d'une corrosion uniforme, ceci devant permettre la sélection du meilleur matériau. Trois types d'essais de corrosion en laboratoire, basés sur des essais normalisés, ont été réalisés avec la liqueur de deux épurateurs industriels: l'essai d'immersion, l'essai d'aspersion et l'essai potentiocinétique. Parallèlement, des essais de corrosion ont été réalisés à l'intérieur de deux épurateurs industriels, l'un opérant avec une liqueur de pH=5,4 ± 0,3 et l'autre avec une liqueur de pH= 2,2 ± 0,2, avec les mêmes matériaux exposés à trois emplacements représentatifs des contextes de corrosion : sous le jet de liqueur, dans le brouillard au-dessus du lit de balles et au-dessus de l'éliminateur de gouttelettes dans la cheminée de l'épurateur. Dans l'ensemble, soixante-douze (72) essais ont été réalisés avec 720 échantillons de différents métaux et alliages pouvant être divisés en trois grandes catégories : les aciers doux et les aciers faiblement alliés; le cuivre, le nickel et trois alliages de ces deux métaux et les aciers inoxydables. La durée des essais varie de quelques minutes pour les essais potentiocinétiques à plus de 600 heures pour les essais en usine. Les taux de corrosion ont été évalués par la différence de masse des échantillons avant et après l'exposition, à l'exception de ceux calculés à partir du courant de corrosion déterminé avec l'essai potentiocinétique. La très grande majorité des essais de corrosion en laboratoire et en usine ont été réalisés en présence de la liqueur de pH= 5,4. Par conséquent, étant donné le nombre relativement restreint des essais réalisés avec la liqueur de pH=2,2, il est difficile d'établir une conclusion valable quant au niveau de fiabilité des essais de corrosion en laboratoire, basée sur les résultats obtenus avec cette liqueur. Ces essais ont principalement permis de mettre en évidence l'effet du pH sur les métaux étudiés. En effet, tous les métaux étudiés, à l'exception de l'hastelloy, sont sensibles à une diminution de pH. Par conséquent, les principales conclusions de ce travail sont basées sur les résultats obtenus avec la liqueur de pH=5,4. De façon générale, les résultats des essais de corrosion réalisés avec des échantillons de treize matériaux choisis parmi les métaux et alliages industriels conventionnels permettent de tirer les principales conclusions suivantes: 1.- Les essais en usine nécessitent des temps d'exposition beaucoup plus longs que les essais en laboratoire. Etant donné que les conditions prévalant en usine sont moins bien contrôlées qu'en laboratoire, les résultats obtenus présentent une variabilité plus considérable que ceux mesurés à partir des essais de laboratoire. En dépit de cette fluctuation, les taux de corrosion en usine constituent une base de référence pour évaluer les résultats obtenus en laboratoire. 2.- L'essai d'immersion est le plus simple à réaliser ne nécessitant aucun montage ni appareil de mesure sophistiqué. Il tend toutefois à sous-évaluer les taux de corrosion et c'est pourquoi, l'extrapolation de la durée de vie faite à partir de résultats de l'essai d'immersion doit être faite de façon très conservatrice en faisant intervenir un facteur multiplicatif de l'ordre de 2 à 3. 3.- L'essai d'aspersion suit au second rang au point de vue de la complexité, nécessitant la pulvérisation de gouttelettes de liqueur et une exposition plus longue des matériaux que pour l'essai d'immersion. C'est l'essai le plus fiable, donnant des taux de corrosion du même ordre de grandeur que ceux mesurés dans le milieu industriel. 4.- L'essai potentiocinétique est le plus complexe à réaliser requérant une cellule de corrosion électrochimique avec un système sophistiqué de contrôle et de mesure de tension et de courant. Par contre, les résultats peuvent être obtenus très rapidement. Cet essai permet de classer par niveau de corrosion certaines classes de métaux mais ne permet pas de différencier les différentes nuances commerciales qui présentent des potentiels électrochimiques voisins les uns des autres. 5.- L'ensemble des résultats obtenus à partir des essais réalisés en laboratoire et en usine permet de sélectionner les meilleurs matériaux potentiellement utilisables dans le cas particulier d'un épurateur humide opérant avec une liqueur de pH=5,4. Ainsi, l'hastelloy et les aciers inoxydables (317L, 904L, 2205 ou l'équivalent) ressortent comme étant les matériaux les plus résistants à la corrosion à l'intérieur de l'épurateur de pH=5,4. En pratique, la nuance 317LM dont la teneur en molybdène est 2% plus élevée que pour le 317L a été choisi pour la fabrication des composantes d'une unité électrostatique à l'intérieur d'un épurateur humide opérant avec une liqueur de pH=5,4. 6.- Les résultats obtenus à partir des essais réalisés en laboratoire et en usine doivent toujours être interprétés avec beaucoup de prudence puisque dans chacun des cas, il est nécessaire d'extrapoler les résultats pour estimer la durée de vie d'un matériau. Etant donné que la sélection du meilleur matériau dépend en grande partie de cette estimation, il est donc important de s'assurer que d'une part, les essais de laboratoire sélectionnés sont représentatifs du contexte industriel étudié et que d'autre part, la durée des essais réalisés dans le milieu naturel soit suffisamment longue pour permettre une estimation réaliste de la durée de vie d'un matériau. 7.- Pour faire suite à ce travail qui se limitait principalement à la corrosion uniforme, il est recommandé pour les prochaines années de faire le suivi du comportement de l'acier inoxydable 317LM dans le milieu de l'épurateur humide. Ceci permettra de vérifier si les extrapolations faites pour estimer la durée sont réalistes et ainsi valider l'approche ayant permis de sélectionner cette nuance d'acier inoxydable. Sur le plan fondamental, il serait également intéressant d'étudier les principaux facteurs pouvant favoriser certaines formes de corrosion localisée dans le contexte d'un épurateur humide. Mots-clés : corrosion, épurateur humide, milieu acide, aciers doux, aciers inoxydables, alliages de cuivre, alliages de nickel.

Le procédé Hall-Héroult permet de produire de l'aluminium à partir de Pélectrolyse de l'alumine. Durant cette electrolyse, les anodes de carbone sont consommées suivant la réaction : 2Al2O3 + 3C => 4Al + 3CO2 La consommation par electrolyse est de 333 kgC/t Al, pour un rendement Faraday de 100 %. Cependant, les données industrielles montrent que la consommation de carbone est nettement supérieure à cette valeur (approximativement de 400 à 450 kgC/t Al). Les contributions suivantes font augmenter la quantité de carbone consommé : - la réaction de l'anode avec l'air ; - la réaction de l'anode avec le CO2 émis durant l'électrolyse de l'alumine. - le poussiérage, qui est principalement causé par la différence de réactivité des différentes structures du carbone qui composent l'anode (coke et brai). Il existe peu de travaux sur la caractérisation de la partie la plus sensible l'anode, la phase liante (constituée du brai et de fines particules de coke) et sur l'interaction entre les particules de coke et la phase liante, en fonction du degré de calcination du coke. Par ailleurs, il n'y a pas de consensus dans la littérature en ce qui concerne l'effet du degré de calcination du coke sur la consommation / réactivité des anodes. Différentes procédures de calcination du coke, fabrication/cuisson des anodes de laboratoire et méthodes de détermination de la consommation des anodes sont rapportées dans la littérature. Pour permettre d'identifier la source des divergences de conclusions sur l'effet du niveau de calcination du coke sur la réactivité des anodes, les points suivants ont été investigués : - vérification de la validité de la calcination semi-industrielle; - identification de l'effet du protocole de fabrication/cuisson des anodes de laboratoire sur leur réactivité; - comparaison des méthodes de mesure de la consommation des anodes; - documentation de l'effet du niveau de calcination du coke sur le contact cokebrai et sur les oxygènes de surface. De plus, une méthode permettant de caractériser le comportement de la phase liante de l'anode en réactivité a l'air à été développée. À la lumière de ce travail, il apparaît que le mode de calcination du coke, le protocole de fabrication/cuisson des anodes de laboratoire et la méthode de mesure de consommation/réactivité choisie ont un impact sur les résultats obtenus.

La stabilité des camions citernes a été le sujet de plusieurs études dans les dernières décennies, les accidents de ces véhicules lourds peuvent causer des ravages affectant la nature et l'humanité. Le renversement est l'un des facteurs les plus influents dans les accidents des camions citernes. Les performances dynamiques de la charge transportée jouent un rôle considérable sur la stabilité du véhicule. La géométrie, le taux de remplissage et le poids de la citerne sont tous des facteurs qui influent directement sur le comportement dynamique du véhicule. Malgré les recherches qui ont été consacrées à l'étude du comportement du liquide à l'intérieur des citernes, peu d'études ont visé l'optimisation du poids du réservoir en utilisant des matériaux légers et résistants tels que l'aluminium. Dans le cadre de cette étude, un nouveau modèle mécanique est développé afin de simuler le mouvement du liquide dans une citerne partiellement remplie, le but de ce modèle est d'évaluer les déplacements latéraux et les fréquences naturelles de la surface libre et du reste du liquide, ainsi que les forces de pression critiques exercées sur les parois de la citerne. Quatre formes de sections latérales ont été abordées et analysées dans le but d'obtenir la meilleure représentation de chacune d'elles et ainsi acquérir des résultats distincts et précis. Par la suite, les valeurs des forces latérales de pression sont utilisées comme étant les forces maximales qui peuvent être générées par le déplacement du liquide dans des conditions opérationnelles. Après avoir sélectionné certains matériaux appropriés à la conception des citernes selon les critères exigées, les épaisseurs des parois sont alors évaluées et comparées aux épaisseurs satisfaisant les conditions de construction imposées par P ASME (American Society of Mechanical Engineers) et le département américain de transport. Ainsi, les poids des différentes formes de réservoirs sont obtenus en fonction des matériaux sélectionnés. Les résultats acquis par le modèle développé dans cette étude ont démontré qu'il est possible de diminuer le poids du réservoir des camions citernes par l'utilisation de certains alliages d'aluminium en laissant une marge importante avec les conditions et normes imposées. Les résultats de cette recherche permettraient de discuter la possibilité de diminuer le poids de la citerne pour les véhicules routiers afin d'améliorer leur performance dynamique et réduire la consommation du carburant.

L'alumine est extraite de la bauxite grâce au procédé Bayer. Au cours de l'étape de décantation de ce procédé, les particules de boues rouges sont séparées de la liqueur contenant l'aluminate par floculation et décantation. Étant donné l'augmentation des demandes en alumine et la diminution de la qualité des bauxites disponibles, les décanteurs se doivent d'être plus grands et plus performants pour répondre à la demande. Conséquemment, la compréhension des déplacements de la boue rouge à l'intérieur des décanteurs devient très importante pour optimiser l'étape de séparation solide/liquide. Cette thèse présente une étude effectuée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi, portant sur le développement d'une méthodologie permettant d'identifier et de comprendre les comportements caractéristiques et les déplacements des boues rouges. Il est difficile d'effectuer la mesure de la distribution du temps de résidence « RTD » des décanteurs, étant donné la nature chimique agressive du procédé Bayer. Une méthodologie expérimentale de traçage ferromagnétique a été développée afin d'effectuer des essais de traçage dans des décanteurs de boue rouge. Ainsi, en utilisant un traceur de poudre de fer, il est possible de simuler le comportement et le déplacement des boues rouges. Le traceur est détecté par des variations de la densité du flux magnétique entourant une bobine d'induction. En mesurant la fréquence de résonance d'un circuit LC, la masse de particules de fer présente dans la bobine est mesurée. La limite de détection de l'appareil de mesure pour des essais de traçage en continu est de 0,10 g de fer par litre de boue avec un écart-type de 13 %. Les courbes de calibrations de l'appareil de mesure dépendent cependant du type de boue, de la concentration solide de la boue et du volume de boue présent dans la bobine de mesure en plus d'être sensible aux vibrations. Les courbes RTD représentent la somme des écoulements existants à l'intérieur du décanteur. Une méthode d'analyse basée sur le modèle mathématique des réservoirs en série et sur la décomposition en pics des courbes RTD a été développée. La décomposition s'effectue selon l'importance des pics. L'écoulement associé à ces pics est soustrait tour à tour de l'écoulement global jusqu'à ce que les pics présents dans la courbe d'écoulement global ne puissent plus être différenciés du bruit expérimental. L'écoulement global du décanteur a été décomposé en cinq types d'écoulement occupant trois zones principales : zone active rapide près du centre (r = 0), zone intermédiaire (r = 0,5 r) et zone lente en périphérie (r = r). Ces pics sont associés au déplacement de la boue dans la section conique du décanteur sous l'action du râteau. Une autre zone d'écoulement est associée au délai de la RTD située entre l'origine et le début de la courbe. Ce délai est associé à une zone d'écoulement PFR existant dans la portion cylindrique du décanteur. Des injections localisées ont permis de valider l'interprétation de la méthode de décomposition. Grâce à cette technique, il a été possible d'observer des signatures typiques de problématiques industrielles telles que les courts-circuits ou « rat hole », les volumes morts, l'action des râteaux, etc.

Les propriétés du coke et la performance des anodes sont affectées par le niveau de calcination du coke. Une densité de coke (VBD) élevée implique une température de calcination élevée (jusqu'à la désulfuration) correspondant à une gamme de longueurs cristallines « Lc » entre 25 et 30 A. Par contre, des études antérieures ont démontré que la calcination à plus basse température (sous-calcination, Lc 20 - 25 A) permettrait de réduire le poussiérage des anodes [1,2]. D'autre part, l'évolution du marché du coke force l'industrie de l'aluminium à utiliser des cokes à teneurs plus élevées en soufre. La perte en soufre survient durant la calcination à des températures plus élevées que 1250 °C [3-7]. Des pores se forment lors de cette désulfuration produisant ainsi une diminution de la VBD. Par conséquent, le niveau de calcination du coke et le comportement lors de la désulfuration doivent être évalués. Cette étude a pour but d'évaluer l'effet du niveau de calcination et du niveau de cuisson sur la réactivité du coke de pétrole, du brai de charbon et de la pâte anodique. Ainsi des analyses thermogravimétriques ont été faites sur des échantillons de coke, de pâte et de brai. La réactivité au CO2 de ces matériaux à 963°C a été déterminée et les résultats démontrent que, dépendamment du type d'échantillon (coke, pâte ou brai), la réactivité au CO2 est reliée soit à la surface spécifique, soit à longueur cristalline ou soit à une combinaison des deux. Dans le but de comprendre la façon dont le soufre est émis lors de la désulfuration, une seconde étude a été effectuée sur du coke de pétrole calciné en laboratoire ainsi que sur des cokes verts (coke de pétrole non-calciné). Les analyses de type XPS montrent que certains liens chimiques semblent majoritairement présents lors de la calcination à de hautes températures. De plus, la désulfuration se produit lentement jusqu'à une température supérieure à 1400°C puis la réaction s'accélère. Finalement, le soufre n'est pas réparti de façon similaire entre les différents cokes verts lorsque différentes espèces chimiques du souffre sont considérées.