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ACTION DE RECHERCHE : MISE EN FORME A CHAUD
L’objectif des travaux est la compréhension des mécanismes de déformation à chaud de matériaux
métalliques dans des situations où les dislocations jouent un rôle mineur voire inexistant. Deux
situations sont plus particulièrement étudiées :
1. le formage superplastique d’alliages métalliques à grains fins ou ultra-fins avec une attention
également portée aux mécanismes d’endommagement induits par la déformation
2. la mise en forme de verres métalliques massifs dans leur domaine de transition vitreuse avec
notamment une attention portée à l’effet d’une cristallisation partielle (production de
nanocomposites) sur les mécanismes de déformation.
1. FORMAGE (SUPERPLASTIQUE) DES ALLIAGES DE MAGNESIUM
La superplasticité est un thème de recherche ancien au GPM2. En 2006, les travaux se sont
concentrés sur les alliages de magnésium du fait de leur densité sensiblement réduite en regard des
alliages d'aluminium Afin de promouvoir l’utilisation de ces alliages dans le secteur aéronautique, nous
avons été conduits à étudier la résistance à l’inflammabilité de différents alliages de Mg. Il a été
montré que les mécanismes d’oxydation à haute température jouent un rôle clé dans la résistance à
l’inflammabilité, que les alliages de Mg résistaient bien à l’inflammabilité tant qu’ils étaient maintenus à
l’état solide et que l’ajout de certains éléments d’alliages pouvait également renforcer cette résistance
lorsque l’alliage était à l’état liquide. Ces travaux se poursuivent en 2007, la finalité de ces travaux
étant de voir si les gaz à effet de serre qui sont aujourd'hui utilisés dans l’élaboration des alliages de
magnésium pourraient être supprimés.
Les travaux sur le formage à chaud des alliages de magnésium se concentrent sur l’effet de la
composition de l’alliage et de traitements thermomécaniques sur les mécanismes de déformation à
chaud et d’endommagement, ces derniers étant préférentiellement étudiés par micro-tomographie X
(figure 1). L’effet de la température (depuis la température ambiante jusqu’au domaine de
superplasticité) et de la vitesse de déformation sur la capacité de déformation des alliages de Mg de
corroyage sont étudiés dans le cadre du programme européen AEROMAG et en collaboration étroite
avec le laboratoire SYMME d’Annecy.
100 µm
400°C
Figure 1 : Observation par micro-tomographie X de cavités induites par la déformation superplastique d’un alliage de Mg
2. MISE EN FORME DES VERRES METALLIQUES MASSIFS (VMM)
Les travaux initiés en 2000 sur les VMM privilégient quatre axes : l’étude des mécanismes de
déformation des VMM dans leur domaine de transition vitreuse, l’étude de l’impact d’une cristallisation
partielle de tels verres sur leur comportement mécanique, l’évaluation des performances mécaniques
de nouvelles nuances et la possibilité d’élaborer de nouveaux multimatériaux par association des
VMM avec des alliages plus traditionnels.
2.1 Mécanismes de déformation à chaud
Lorsqu’ils sont déformés au-delà de leur température de transition vitreuse, les VMM peuvent
présenter des capacités de déformation extrêmement importantes. Cependant les mécanismes de
déformation activés demeurent encore aujourd’hui mal connus, en particulier la nature des défauts mis
en jeu reste un sujet ouvert. Un modèle, fondé sur les variations de volumes libres pendant la
déformation de l'alliage (assez analogue aux mécanismes de restauration proposés dans les alliages
métalliques cristallins) a été dans un premier temps proposé permettant de rendre compte de la
réponse viscoplastique de VMM base zirconium puis modifié pour mieux tenir compte les propriétés
viscoélastiques.
2.2 Comportement mécanique des nanocomposites
Par traitements thermiques, des nanocomposites verre / cristal ont été générés à partir d’un VMM
base Zr et leurs propriétés mécaniques tant à température ambiante qu’à chaud ont été étudiées. Les
travaux menés ont permis une caractérisation fine (DSC, XRD, MET) permettant la détermination de
la nature, de la taille et surtout de la fraction volumique des nanocristaux (qui est particulièrement
délicate à évaluer dans ce cas là). A température ambiante, la présence de nanocristaux conduit dans
un premier temps à une augmentation de la résistance mécanique du verre puis au-delà d’une
quantité critique de cristaux, la contrainte à rupture décroît significativement. Par ailleurs, l’effet de
cette cristallisation sur la sensibilité à la pression hydrostatique du comportement mécanique à
température ambiante a également été étudié notamment par la mise en œuvre d’essais de
nanoindentation. En ce qui concerne le comportement à chaud, la présence de cristaux peut conduire
à une très forte augmentation de la viscosité et à un changement de la rhéologie (i.e. modification de
la sensibilité de la viscosité à la vitesse de déformation). Les causes physiques à l’origine du
durcissement font encore l’objet de travaux d’approfondissement (effet « composite », percolation
directe ou indirecte, modification de la matrice résiduelle…). Ces travaux sont menés en collaboration
avec le groupe PM du laboratoire SIMAP et le laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon.
200 nm
Figure 2 : Effet de la température sur la réponse mécanique
d’un VMM base zirconium (Tg ≈ 350°C)
Figure 3 : Observation MET d’un verre base zirconium après
traitement de cristallisation partielle
2.3 Nouvelles nuances de VMM
En collaboration avec le CRETA du CNRS Grenoble, des verres base magnésium ont été élaborés et
le comportement mécanique de ces verres a été étudié tant à température ambiante qu’à chaud
(thèse S. Puech). Différentes compositions ont été testées permettant l’obtention de limites à rupture
de l'ordre de 800 MPa. Les mécanismes de cristallisation sont en cours d’identification. Les travaux se
concentrent maintenant sur l'impact de cette nanocristallisation sur les mécanismes de déformation à
température ambiante et à chaud. Une spécificité de ces alliages réside dans leurs températures de
transition vitreuse basses (voisines de 150°C, soit environ 200°C de moins que celles fréquemment
rencontrées dans les verres base Zr). L’impact de ces températures sur les propriétés mécaniques
d’emploi fait présentement l’objet d’une attention particulière. Dans le même contexte et en
collaboration avec la NWPU de Xian (Chine), des travaux viennent de débuter sur l’élaboration et le
comportement mécanique de verres base titane ont débuté.
2.4 Multi-matériaux renforcés par des VMM
Des travaux ont récemment démarré pour tenter d’associer des verres métalliques à des alliages plus
traditionnels, tels que des alliages d’aluminium ou de magnésium. L’idée centrale est la démarche est
de profiter des grandes capacités de déformation des verres métalliques dès lors qu’ils sont déformés
à des températures supérieures à leur température de transition vitreuse pour mettre en œuvre des
procédés de co-déformation. Le premier procédé étudié a été la co-extrusion. Après optimisation des
conditions de co-déformation, des premiers composites filamentaires alliages légers / verres
métalliques base ont pu être produits. D’après les premiers essais réalisés, les propriétés mécaniques
de ces nouveaux multi matériaux paraissent particulièrement attractives. D’autres procédés sont
maintenant en cours d’étude tels que le co-pressage ou le co-laminage. Dans le futur, ces travaux
devraient bénéficier de l’apport du nouveau maître de conférences qui doit être recruté pour fin 2007.