L'alliage d'aluminium 6061T6 à paroi épaisse doit être trempé après l'extrusion à chaud. En raison des limites de l'extrusion discontinue, une partie du profilé entrera dans la zone de refroidissement par eau avec un certain retard. Lors de la poursuite de l'extrusion du lingot court suivant, cette partie du profilé subira une trempe retardée. La gestion de cette zone de trempe retardée est un problème que toute entreprise de production doit prendre en compte. Lorsque les chutes de fin de processus d'extrusion sont faibles, les échantillons de performance prélevés sont parfois qualifiés, parfois non qualifiés. Un rééchantillonnage latéral permet de requalifier les performances. Cet article explique cela par des expériences.
1. Matériel et méthodes d'essai
Le matériau utilisé dans cette expérience est un alliage d'aluminium 6061. Sa composition chimique mesurée par analyse spectrale est la suivante : Il est conforme à la norme internationale GB/T 3190-1996 sur la composition des alliages d'aluminium 6061.
Dans cette expérience, une partie du profilé extrudé a été soumise à un traitement en solution solide. Le profilé de 400 mm de long a été divisé en deux zones. La zone 1 a été refroidie directement à l'eau et trempée. La zone 2 a été refroidie à l'air pendant 90 secondes, puis refroidie à l'eau. Le schéma d'essai est présenté à la figure 1.
Le profilé en alliage d'aluminium 6061 utilisé dans cette expérience a été extrudé par une extrudeuse 4000UST. La température du moule est de 500 °C, celle de la barre de coulée de 510 °C, la température de sortie de l'extrusion de 525 °C, la vitesse d'extrusion de 2,1 mm/s, un refroidissement par eau à haute intensité est utilisé pendant le processus d'extrusion, et une éprouvette de 400 mm de longueur est prélevée au milieu du profilé fini extrudé. La largeur de l'échantillon est de 150 mm et sa hauteur de 10,00 mm.
Les échantillons prélevés ont été séparés puis soumis à un nouveau traitement de mise en solution. La température de la solution était de 530 °C et le temps de mise en solution de 4 heures. Après leur retrait, les échantillons ont été placés dans un grand réservoir d'eau d'une profondeur de 100 mm. Ce réservoir plus grand permet de limiter les variations de température de l'eau après le refroidissement de l'échantillon de la zone 1, évitant ainsi toute augmentation de la température de l'eau sur l'intensité du refroidissement. Pendant le refroidissement, la température de l'eau doit être comprise entre 20 et 25 °C. Les échantillons trempés ont été vieillis à 165 °C pendant 8 heures.
Prélevez un échantillon de 400 mm de long, 30 mm de large et 10 mm d'épaisseur et effectuez un essai de dureté Brinell. Effectuez 5 mesures tous les 10 mm. Prenez la valeur moyenne des 5 duretés Brinell comme résultat à ce stade et observez l'évolution de la dureté.
Les propriétés mécaniques du profil ont été testées et la section parallèle de traction de 60 mm a été contrôlée à différentes positions de l'échantillon de 400 mm pour observer les propriétés de traction et l'emplacement de la fracture.
Le champ de température de la trempe refroidie à l'eau de l'échantillon et de la trempe après un délai de 90 s a été simulé via le logiciel ANSYS, et les taux de refroidissement des profils à différentes positions ont été analysés.
2. Résultats expérimentaux et analyse
2.1 Résultats des tests de dureté
La figure 2 montre la courbe de variation de dureté d'un échantillon de 400 mm de long, mesurée par un duromètre Brinell (l'unité de longueur de l'abscisse représente 10 mm et l'échelle 0 représente la ligne de démarcation entre la trempe normale et la trempe différée). On constate que la dureté à l'extrémité refroidie par eau est stable autour de 95 HB. Après la ligne de démarcation entre la trempe par refroidissement par eau et la trempe différée de 90 s, la dureté commence à diminuer, mais lentement au début. Après 40 mm (89 HB), la dureté chute brusquement et atteint sa valeur minimale (77 HB) à 80 mm. Après 80 mm, la dureté cesse de diminuer, mais augmente légèrement. Cette augmentation est relativement faible. Après 130 mm, la dureté reste inchangée autour de 83 HB. On peut supposer que la vitesse de refroidissement de la partie trempée différée a changé sous l'effet de la conduction thermique.
2.2 Résultats et analyse des tests de performance
Le tableau 2 présente les résultats d'essais de traction réalisés sur des échantillons prélevés à différents endroits de la section parallèle. On constate que la résistance à la traction et la limite d'élasticité des alliages n° 1 et n° 2 sont quasiment inchangées. À mesure que la proportion d'extrémités à trempe retardée augmente, la résistance à la traction et la limite d'élasticité de l'alliage affichent une tendance significative à la baisse. Cependant, la résistance à la traction à chaque point d'échantillonnage est supérieure à la résistance standard. Seule la zone de dureté la plus faible présente une limite d'élasticité inférieure à la norme de l'échantillon, ce qui rend les performances de l'échantillon non conformes.
La figure 4 présente les résultats des propriétés de traction de l'échantillon n° 3. On constate que plus on s'éloigne de la ligne de séparation, plus la dureté de l'extrémité de trempe différée est faible. Cette diminution de dureté indique une diminution des performances de l'échantillon, mais elle diminue lentement, passant de 95 HB à environ 91 HB seulement à l'extrémité de la section parallèle. Comme le montrent les résultats de performance du tableau 1, la résistance à la traction a diminué de 342 MPa à 320 MPa lors du refroidissement par eau. Parallèlement, le point de rupture de l'échantillon de traction se situe également à l'extrémité de la section parallèle présentant la dureté la plus faible. En effet, l'éloignement de la ligne de refroidissement par eau réduit les performances de l'alliage et l'extrémité atteint la limite de résistance à la traction en premier, formant une striction. Enfin, la rupture à partir du point de performance le plus bas est conforme aux résultats des essais de performance.
La figure 5 montre la courbe de dureté de la section parallèle de l'échantillon n° 4 et la position de la fracture. On constate que plus on s'éloigne de la ligne de séparation du refroidissement par eau, plus la dureté de l'extrémité de trempe différée est faible. Parallèlement, la fracture se situe également à l'extrémité où la dureté est la plus faible, soit la fracture 86HB. Le tableau 2 montre une quasi-absence de déformation plastique à l'extrémité refroidie par eau. Le tableau 1 montre une diminution significative des performances de l'échantillon (résistance à la traction : 298 MPa, limite d'élasticité : 266 MPa). La résistance à la traction n'est que de 298 MPa, ce qui est inférieur à la limite d'élasticité de l'extrémité refroidie par eau (315 MPa). Une striction se forme à l'extrémité lorsqu'elle est inférieure à 315 MPa. Avant la fracture, seule une déformation élastique se produisait dans la zone refroidie par eau. La disparition de la contrainte a entraîné la disparition de la déformation à l'extrémité refroidie par eau. Par conséquent, la déformation dans la zone de refroidissement par eau du tableau 2 est quasiment inchangée. L'échantillon se brise à la fin du tir à vitesse retardée, la zone déformée est réduite et la dureté finale est la plus faible, ce qui entraîne une baisse significative des performances.
Prélever des échantillons dans la zone de trempe différée à 100 %, à l'extrémité de l'échantillon de 400 mm. La figure 6 montre la courbe de dureté. La dureté de la section parallèle est réduite à environ 83-84HB et est relativement stable. Grâce au même procédé, les performances sont sensiblement identiques. Aucune tendance évidente n'est observée au niveau de la fracture. Les performances de l'alliage sont inférieures à celles de l'échantillon trempé à l'eau.
Afin d'explorer plus en détail la régularité des performances et de la rupture, la section parallèle de l'éprouvette de traction a été sélectionnée près du point de dureté le plus bas (77HB). Le tableau 1 montre une réduction significative des performances, et le point de rupture apparaît au point de dureté le plus bas (figure 2).
2.3 Résultats de l'analyse ANSYS
La figure 7 présente les résultats de la simulation ANSYS des courbes de refroidissement à différentes positions. On observe une chute rapide de la température de l'échantillon dans la zone de refroidissement par eau. Après 5 secondes, elle est descendue sous les 100 °C, et à 80 mm de la ligne de séparation, elle est tombée à environ 210 °C en 90 secondes. La chute de température moyenne est de 3,5 °C/s. Après 90 secondes dans la zone de refroidissement par air terminal, la température chute à environ 360 °C, avec une vitesse de chute moyenne de 1,9 °C/s.
L'analyse des performances et les résultats de simulation révèlent que les performances des zones de refroidissement par eau et de trempe différée évoluent d'abord en diminuant, puis en augmentant légèrement. Affectée par le refroidissement par eau près de la ligne de séparation, la conduction thermique provoque une chute de la température de l'échantillon dans une zone donnée à une vitesse de refroidissement inférieure à celle du refroidissement par eau (3,5 °C/s). Par conséquent, le Mg₂Si, solidifié dans la matrice, a précipité en grande quantité dans cette zone, et la température a chuté à environ 210 °C après 90 secondes. La grande quantité de Mg₂Si précipitée a réduit l'effet du refroidissement par eau après 90 secondes. La quantité de phase de renforcement Mg₂Si précipitée après le traitement de vieillissement a été fortement réduite, ce qui a entraîné une baisse des performances de l'échantillon. En revanche, la zone de trempe différée éloignée de la ligne de séparation est moins affectée par la conduction thermique du refroidissement par eau, et l'alliage refroidit relativement lentement dans des conditions de refroidissement par air (vitesse de refroidissement de 1,9 °C/s). Seule une petite partie de la phase Mg2Si précipite lentement, et la température est de 360 °C après 90 s. Après refroidissement par eau, la majeure partie de la phase Mg2Si est encore dans la matrice, et elle se disperse et précipite après vieillissement, ce qui joue un rôle de renforcement.
3. Conclusion
Des expériences ont montré que la trempe retardée provoque d'abord une diminution de la dureté de la zone de trempe retardée à l'intersection de la trempe normale et de la trempe retardée, puis une légère augmentation jusqu'à ce qu'elle se stabilise finalement.
Pour l'alliage d'aluminium 6061, les résistances à la traction après trempe normale et trempe retardée pendant 90 s sont respectivement de 342 MPa et 288 MPa, et les limites d'élasticité sont de 315 MPa et 252 MPa, toutes deux conformes aux normes de performance de l'échantillon.
Il existe une zone où la dureté est la plus faible, passant de 95HB à 77HB après trempe normale. Les performances y sont également les plus faibles, avec une résistance à la traction de 271 MPa et une limite d'élasticité de 220 MPa.
L'analyse ANSYS a révélé que la vitesse de refroidissement au point de performance le plus bas, dans la zone de trempe différée des années 90, diminuait d'environ 3,5 °C par seconde, ce qui entraînait une dissolution solide insuffisante de la phase de renforcement Mg2Si. D'après cet article, le point critique pour la performance apparaît dans la zone de trempe différée, à la jonction entre la trempe normale et la trempe différée, et se situe non loin de cette jonction, ce qui est essentiel pour une rétention optimale des déchets de fin de processus d'extrusion.
Édité par May Jiang de MAT Aluminum
Date de publication : 28 août 2024
