Modélisation intégrée de la précipitation pour le soudage par friction malaxage d'alliages d'aluminium à durcissement structural

Integrated Precipitate Simulation for Friction Stir Welding of Age Hardening Aluminium Alloys

• Auteur / Autrice : Emmanuel Hersent
• Direction : Julian Driver
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 12/02/2010
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : EDSIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Physique et Mécanique des Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Denquin, David Piot, Sophie Gourdet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Deschamps, René Le Gall

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Calorimétrie différentielle à balayage

Aluminium -- Alliages

Précipitation (chimie)

Soudage

Mots clés libres

Precipitation

Simulation

Alliages d'aluminium

Traitements anisothermes

FSW

Calorimétrie différentielle

Soudage

Friction stir welding

Résumé

Le friction stir welding (FSW) est un procédé de soudage inventé en 1991 par l’institut de soudure anglais, le TWI. Celui-ci suscite un vif intérêt de la part de l’industrie aéronautique par sa capacité de souder les alliages d’aluminium de la série 2XXX et 7XXX, à durcissement structural, réputés pratiquement insoudables. Ce procédé étant relativement récent, il fait encore sujet de recherches actives. Ce travail a pour objectif de prévoir le profil de dureté d’un joint soudé par FSW d’un alliage d’aluminium, le 2024 T3. Cet alliage étant à durcissement structural, il est nécessaire de prévoir l’influence de la température sur l’évolution de la précipitation au cours du procédé pour en déduire sa limite d’élasticité. L’estimation du champ de température durant le régime stationnaire du procédé s’appuie sur des travaux internes au centre SMS. La prévision de la précipitation au cours du soudage est effectuée à l’aide de deux modèles. Le premier modèle, à base d’équivalence temps–températures, est une proposition d’extension aux alliages d’aluminium sous-revenu du modèle de Myhr & Grong (1991) établi dans le cas des alliages d’aluminium sur-revenu. Le deuxième modèle s’appuie sur une discrétisation de la distribution des rayons des précipités, suivant le schéma numérique de Kampmann et Wagner (1983), pour calculer ensuite son évolution. Bien que le premier modèle permette de prévoir l’évolution de la dureté au cours de recuits isothermes, les profils de dureté simulés ne sont pas en accord avec les profils expérimentaux. Seul le deuxième modèle permet une prévision raisonnable de la microstructure, en accord avec les mesures réalisées dans la thèse de Genevois (2004), et des profils de dureté proches des résultats expérimentaux. Finalement, une expression analytique en fonction des paramètres microstructuraux du flux de chaleur lors d’un essai de calorimétrie différentielle (DSC) a été établie. Celle-ci donne la possibilité de simuler un essai de DSC, et de vérifier ainsi la cohérence entre les grandeurs thermodynamiques et cinétiques introduites dans le deuxième modèle de précipitation.

Friction stir welding (FSW) is a recent welding process invented by The Welding Institute (TWI). It is particularly interesting for the aeronautical sector due to its capacity to weld 2XXX and 7XXX age-hardening aluminium alloys, which were previously considered unweldable. This relatively new process is currently the subject of active research. This work aims to simulate the hardness profile of an AA2024-T3 friction stir weld. AA2024-T3 is an age hardening aluminium alloy, so it is necessary to predict the effect of temperature on the evolution of precipitation during the process to deduce its yield strength. An estimation of the temperature field during the stationary regime relies on internal work of the SMS centre. Precipitate evolution during welding is simulated using two models. The first one, based on the isokinetic strength, is an extension to under-aged aluminium alloys of the Myhr & Grong model (1991) established for the overaged aluminium alloy. The second one, based on the Kampmann and Wagner (1983) numerical framework discretizes the distribution of the precipitate radius to deduce its evolution. Though the first model can predict the hardness evolution during isothermal treatments, the simulated profiles do not match the experimental ones. Only the second one can predict reasonably well the microstructures in agreement with the observations described in the thesis of Genevois (2004) and also with hardness profiles close to the experimental ones. An analytical expression for the heat flux during a differential scanning calorimetry experiment has been established as a function of microstructural parameters. This gives one the possibility to simulate a DSC experiment and to validate the coherency between thermodynamical and kinetic quantities, as introduced in the second precipitation model.