Modelling precipitation hardening in an A356+0.5Cu cast aluminum alloy

par Anass Assadiki

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Georges Cailletaud, Warren Poole et de Vladimir Esin.

Le président du jury était Ivan Guillot.

Le jury était composé de Georges Cailletaud, Warren Poole, Vladimir Esin, Shahrzad Esmaeili, Rémi Martinez.

Les rapporteurs étaient Michel Perez, David Balloy.

  • Titre traduit

    Modélisation du durcissement par précipitation dans un alliage d’aluminium de fonderie A356+0.5Cu


  • Résumé

    Les alliages d’aluminium du type A356+0.5Cu sont fortement utilisés en fonderie pour l’application culasses automobile en raison de leurs bonnes propriétés thermiques et mécaniques. La limite d’élasticité de ces alliages est étroitement reliée à la microstructure de précipitation dont la formation et l’évolution sont contrôlées par la diffusion. Dans ce travail, la cinétique de précipitation de la phase durcissante β”-Mg2Si et la limite d’élasticité associée ont été modélisées. La précipitation a été modélisée en se basant sur la théorie classique de la germination et la croissance contrôlée par la diffusion. L’approche numérique KWN de discrétisation en classes de tailles a été employée afin de suivre l’évolution des distributions de tailles en réponse à un historique thermique. La limite d’élasticité a été modélisée en additionnant les contributions des précipités et le durcissement par solution solide de façon directement informée par le modèle de précipitation. La contribution des précipités a été modélisée en prenant en compte leur morphologie en bâtonnets et leur orientation dans la matrice. Des échantillons ont été coulés et ont été assujettis à un traitement thermique de mise en solution, trempe et vieillissement pour des durées variables. Le modèle a ensuite été confronté à deux niveaux aux résultats d’expériences conduites sur ces échantillons. D’une part, les distributions de tailles simulées ont été comparées aux mesures effectuées grâce à des observations par microscopie électronique en transmission. D’autre part, la limite d’élasticité simulée a été comparée aux résultats d’essais de traction. Finalement, une chaîne de calculs éléments-finis intégrant ces modèles a été mise au point dans le code de calcul Z-Set. Des simulations de traitement thermique de trempe et vieillissement ont été effectuées permettant la représentation des gradients de propriété ainsi que l’estimation et la localisation des contraintes résiduelles.


  • Résumé

    Aluminum alloys of type A356+0.5Cu are widely used in casting cylinder heads for automotive applications due to their good thermal and mechanical properties. The yield stress in these alloys is closely related to precipitation microstructure, the formation and evolution of which are diffusion controlled. In this work, the precipitation kinetics of the β”-Mg2Si hardening phase and the associated evolution of yield stress are modelled. Precipitation is modelled based on classical nucleation theory equations and diffusion controlled growth. The KWN size class discretization approach was used to track the evolution of size distributions of precipitates in response to a given thermal history. Yield stress was modelled by adding up the contributions of precipitates and solid solution strengthening in a manner directly informed by the precipitation model. The contribution of precipitates was modelled taking into account their rod morphology and their orientation in the matrix. Samples were cast and were subject to a solutionizing, quenching and aging heat treatment for various durations. The model was then confronted, on two levels, to the results of experiments conducted on these samples. On the one hand, simulated size distributions were compared to measurements performed on precipitates observed using electron transmission microscopy. On the other hand, the simulated yield stress was compared to the results of tensile tests. Finally, a finite-elements computation chain integrating these models was developed in the Z-Set framework. It was then used to simulate quenching and aging heat treatment making possible tracking of property gradients as well as estimating and localizing residual stresses.


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