Influence des constituants microstructuraux sur la formabilité de tôles en alliages d’aluminium

par Michael Langille

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Alexis Deschamps.

Le président du jury était Joseph-Michel Perez.

Le jury était composé de Frédéric De Geuser.

Les rapporteurs étaient Aude Simar, Joël Bonneville.


  • Résumé

    En raison de l'augmentation de la demande d’allègement pour les véhicules automobiles, des solutions doivent être créées pour permettre aux constructeurs automobiles de passer d'aciers hautement formables mais lourds à des alliages d'aluminium moins formables mais plus légers pour les carrosseries en blanc. Les alliages d'aluminium de la série 6xxx, basés sur le système Al-Mg-Si-Cu, se sont révélés prometteurs en termes de résistance mécanique et de résistance à la corrosion, mais, l'une de leurs principales limitations concerne leur formabilité. Cette thèse vise à comprendre l'effet des additions de Si, Mg et Cu sur les propriétés mécaniques et de formabilité de la série AA6xxx. La calorimétrie différentielle à balayage et les essais de dureté sont utilisés pour identifier les effets de l'addition de solutés sur la microstructure d’amas de solutés après vieillissement naturel et pré-vieillissement. Les essais de traction donnent accès aux principales propriétés mécaniques : limite d'élasticité, résistance à la traction, taux d’écrouissage et allongement uniforme. Le test de sensibilité à la vitesse de déformation est effectué à l'aide de sauts de vitesse afin d'obtenir non seulement la sensibilité à la vitesse ascendante, mais moins classiquement la sensibilité à la vitesse descendante. Enfin, à l'aide d'équations constitutives, les propriétés mécaniques sont utilisées dans une modélisation par éléments finis pour saisir l'évolution de la déformation et de la vitesse de déformation dans la transition de la striction diffuse à localisée. Dans le cas du vieillissement naturel d'un mois (NA1m), deux types d'amas ont été détectés, une espèce moins stable thermiquement ayant une forte dépendance aux teneurs en Cu et Mg, et une espèce plus stable thermiquement ayant la même sensibilité à toutes les espèces de solutés. Lorsque les échantillons sont pré-vieillis, puis laissés pendant un mois (sNA1m), seule l’espèce d’amas thermiquement plus stables et également sensible à tous les ajouts de solutés existe. La formation de ces différents types d’amas en fonction du traitement thermique s'est traduite par les effets de l'ajout de solutés spécifiques sur les propriétés mécaniques observées. Dans l'état NA1m, les effets des additions de Cu et de Mg à l'alliage ont montré les plus fortes augmentations de la limite d'élasticité et du taux d’écrouissage, par rapport aux additions de Si. Ceci contraste avec la condition sNA1m pour laquelle les additions de Cu, Mg et Si augmentent toutes la limite d'élasticité de façon égale tandis que les additions de Cu se sont avérées avoir le plus fort effet sur l'augmentation du taux de durcissement par déformation, suivies par l'effet d’additions de Si, tandis que les additions de Mg n'ont pas eu d'effet. Les tests de sensibilité à la vitesse de déformation ont révélé une asymétrie entre les tests de variation vers le haut et vers le bas, selon laquelle la sensibilité à la vitesse de variation vers le bas est plus grande que la sensibilité à la vitesse de variation vers le haut. De plus, on a constaté que les ajouts de Si augmentent à la fois la sensibilité à la vitesse de déformation à variation ascendante et à variation descendante dans les conditions NA1m et sNA1m. Enfin, l'application de ces propriétés mécaniques à l'étude de l'évolution des strictions diffuse et locale a démontré que l'augmentation de l'exposant d’écrouissage retarde l'apparition du col diffus, par ailleurs l’augmentation de la sensibilité à la vitesse de déformation permet une distribution plus uniforme des déformations et des vitesses de déformation, permettant ainsi la stabilisation et la propagation du col de striction et retardant l'apparition du col local. L'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation ascendante s'est révélé plus important que la variation descendante en raison de l'intensité de l'augmentation de la vitesse de déformation à l'intérieur du col sur une zone beaucoup plus petite.

  • Titre traduit

    The Influence of Microstructural Components on the Formability of Aluminium Alloy Sheets


  • Résumé

    Due to the increased demand for light weighting in automotive vehicles, solutions need to be created to allow automotive manufacturers to switch from highly formable but heavy steels to less formable but lighter aluminium alloys for body-in-white components; doors, roofs, hood. The 6xxx-series of aluminium alloys, based on the system of Al-Mg-Si-Cu, have shown promise for providing adequate strength and corrosion resistance but still, in the current state, one of their main limitations concerns their formability. This thesis aims to understand the effect of Si, Mg, and Cu additions under two different processing routes on the mechanical and formability properties of the AA6xxx-series. Differential scanning calorimetry and hardness testing are used to identify the effects of solute additions on the cluster states after natural ageing and pre-ageing. Tensile testing is used to capture the main mechanical properties: yield strength, tensile strength, strain hardening rate, and uniform elongation. Strain rate sensitivity testing is performed using dynamic strain rate changes to obtain not only the strain rate sensitivity due to rate-change increases (termed up-change), but uniquely, the strain rate sensitivity for rate-change decreases (termed down-change). Finally, using constitutive equations, the mechanical properties are used in combination with finite element modeling to capture the evolution of the strain and strain rate distribution in the evolution and transition of diffuse to local necking. It was found that in the case of natural ageing for one month (NA1m) two cluster types were detected, a less thermally stable species having a high dependency on the Cu and Mg contents, and a more thermally stable species being equally sensitive to all solute species. When samples were first pre-aged, then allowed to naturally age for one month (sNA1m) only the more thermally stable cluster species being equally sensitive to all solute additions existed. The formation of these different cluster types dependent on the heat treatment translated into the effects of specific solute additions on the observed mechanical properties. In the NA1m condition, the effects of Cu and Mg additions to the alloy showed the largest increases on the yield strength and strain hardening rate, as compared to Si additions. This is in contrast to the sNA1m condition whereby Cu, Mg, and Si additions all increased the yield strength equally while Cu additions proved to have the strongest effect on increasing the strain hardening rate, followed by the effect of Si additions, while Mg additions did not have an effect. From the strain rate sensitivity tests, an asymmetry between the up-change and down-change tests was observed whereby the down-change strain rate sensitivity was found to be larger than the up-change strain rate sensitivity. Additionally, Si additions were found to increase both the up-change and down-change strain rate sensitivity in both the NA1m and sNA1m conditions. Finally, the application of these mechanical properties to the onset and evolution of the diffuse and local neck demonstrated that increasing the strain hardening exponent delays the onset of diffuse necking, while increasing both the up-change and down-change strain rate sensitivities provides a more uniform strain and strain rate distribution around the neck, permitting the stabilization and propagation of the neck and delaying the onset of local necking. The effect of the up-change strain rate sensitivity was found to be more important than the down-change due to the intensity of the strain rate increase in the interior of the neck occurring over a much smaller area.


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