L'alliage d'aluminium 6063 appartient à la famille des alliages d'aluminium faiblement alliés Al-Mg-Si, aptes au traitement thermique. Il présente d'excellentes performances d'extrusion, une bonne résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques complètes. Il est également largement utilisé dans l'industrie automobile en raison de sa facilité de coloration par oxydation. Avec l'accélération de la tendance à l'allègement des véhicules, l'utilisation de matériaux extrudés en alliage d'aluminium 6063 dans l'industrie automobile s'est également accrue.
La microstructure et les propriétés des matériaux extrudés sont influencées par les effets combinés de la vitesse et de la température d'extrusion, ainsi que par le rapport d'extrusion. Ce dernier est principalement déterminé par la pression d'extrusion, l'efficacité de production et l'équipement. Un faible rapport d'extrusion réduit la déformation de l'alliage et l'affinement de la microstructure. L'augmentation du rapport d'extrusion permet d'affiner significativement les grains, de fragmenter la seconde phase grossière, d'obtenir une microstructure uniforme et d'améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage.
Les alliages d'aluminium 6061 et 6063 subissent une recristallisation dynamique lors du processus d'extrusion. À température d'extrusion constante, l'augmentation du rapport d'extrusion entraîne une diminution de la granulométrie, une fine dispersion de la phase de renforcement et une augmentation de la résistance à la traction et de l'allongement de l'alliage. Cependant, l'augmentation du rapport d'extrusion s'accompagne d'une augmentation de la force d'extrusion, ce qui accroît l'effet thermique, entraînant une augmentation de la température interne de l'alliage et une diminution des performances du produit. Cette expérience étudie l'effet du rapport d'extrusion, notamment d'un rapport élevé, sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium 6063.
1 Matériel et méthodes expérimentaux
Le matériau expérimental est un alliage d'aluminium 6063, dont la composition chimique est présentée dans le tableau 1. Le lingot, de taille initiale Φ55 mm × 165 mm, est transformé en billette extrudée de taille Φ50 mm × 150 mm après homogénéisation à 560 °C pendant 6 h. La billette est chauffée à 470 °C et maintenue au chaud. La température de préchauffage du fourreau d'extrusion est de 420 °C et celle du moule de 450 °C. Lorsque la vitesse d'extrusion (vitesse de déplacement de la tige d'extrusion) V = 5 mm/s reste inchangée, 5 groupes de tests de rapports d'extrusion différents sont effectués, et les rapports d'extrusion R sont de 17 (correspondant au diamètre du trou de la filière D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) et 156 (D = 4 mm).
Tableau 1 Compositions chimiques de l'alliage 6063 Al (poids/%)
Après un ponçage au papier de verre et un polissage mécanique, les échantillons métallographiques ont été gravés avec un réactif HF avec une fraction volumique de 40 % pendant environ 25 s, et la structure métallographique des échantillons a été observée sur un microscope optique LEICA-5000. Un échantillon d'analyse de texture d'une taille de 10 mm × 10 mm a été découpé au centre de la section longitudinale de la tige extrudée, et un ponçage et une gravure mécaniques ont été effectués pour éliminer la couche de contrainte de surface. Les figures de pôles incomplètes des trois plans cristallins {111}, {200} et {220} de l'échantillon ont été mesurées par l'analyseur de diffraction des rayons X X′Pert Pro MRD de la société PANalytical, et les données de texture ont été traitées et analysées par les logiciels X′Pert Data View et X′Pert Texture.
L'éprouvette de traction de l'alliage coulé a été prélevée au centre du lingot et découpée dans le sens de l'extrusion après extrusion. La surface de mesure était de Φ4 mm × 28 mm. L'essai de traction a été réalisé à l'aide d'une machine d'essai de matériaux universelle SANS CMT5105 à une vitesse de traction de 2 mm/min. La valeur moyenne des trois éprouvettes standard a été calculée comme donnée de propriétés mécaniques. La morphologie de rupture des éprouvettes a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage à faible grossissement (Quanta 2000, FEI, États-Unis).
2 Résultats et discussion
La figure 1 montre la microstructure métallographique de l'alliage d'aluminium 6063 brut de coulée avant et après homogénéisation. Comme le montre la figure 1a, les grains d'α-Al brut de coulée présentent des tailles variables, un grand nombre de phases réticulaires β-Al9Fe2Si2 se rassemblent aux joints de grains et un grand nombre de phases granulaires Mg2Si sont présentes à l'intérieur des grains. Après homogénéisation du lingot à 560 °C pendant 6 h, la phase eutectique hors équilibre entre les dendrites de l'alliage s'est progressivement dissoute, les éléments de l'alliage se sont dissous dans la matrice, la microstructure était uniforme et la taille moyenne des grains était d'environ 125 µm (figure 1b).
Avant l'homogénéisation
Après un traitement d'uniformisation à 600°C pendant 6 heures
Fig.1 Structure métallographique de l'alliage d'aluminium 6063 avant et après traitement d'homogénéisation
La figure 2 montre l'aspect de barres en alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion. Comme le montre la figure 2, la qualité de surface des barres en alliage d'aluminium 6063 extrudées avec différents rapports d'extrusion est bonne. En particulier, lorsque le rapport d'extrusion est porté à 156 (correspondant à une vitesse de sortie de 48 m/min), aucun défaut d'extrusion, tel que des fissures ou des décollements, n'est observé à la surface de la barre. Cela indique que l'alliage d'aluminium 6063 présente également de bonnes performances d'extrusion à chaud à grande vitesse et à grand rapport d'extrusion.
Fig.2 Aspect des tiges en alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion
La figure 3 montre la microstructure métallographique de la section longitudinale d'une barre en alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion. La structure granulaire de la barre, avec différents rapports d'extrusion, présente différents degrés d'allongement ou d'affinement. Avec un rapport d'extrusion de 17, les grains d'origine s'allongent dans le sens de l'extrusion, ce qui entraîne la formation d'un petit nombre de grains recristallisés, mais ceux-ci restent relativement grossiers, avec une granulométrie moyenne d'environ 85 µm (figure 3a) ; avec un rapport d'extrusion de 25, les grains s'affinent, le nombre de grains recristallisés augmente et la granulométrie moyenne diminue à environ 71 µm (figure 3b) ; avec un rapport d'extrusion de 39, à l'exception d'un petit nombre de grains déformés, la microstructure est essentiellement composée de grains recristallisés équiaxes de taille inégale, avec une granulométrie moyenne d'environ 60 µm (figure 3c). Lorsque le rapport d'extrusion est de 69, le processus de recristallisation dynamique est pratiquement terminé, les grains grossiers d'origine ont été complètement transformés en grains recristallisés à structure uniforme, et la taille moyenne des grains est affinée à environ 41 µm (Figure 3d) ; lorsque le rapport d'extrusion est de 156, avec la progression complète du processus de recristallisation dynamique, la microstructure est plus uniforme et la taille des grains est considérablement affinée à environ 32 µm (Figure 3e). Avec l'augmentation du rapport d'extrusion, le processus de recristallisation dynamique se déroule plus complètement, la microstructure de l'alliage devient plus uniforme et la taille des grains est considérablement affinée (Figure 3f).
Fig.3 Structure métallographique et granulométrie de la section longitudinale de tiges d'alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion
La figure 4 montre les figures de pôles inverses de barres d'alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion le long de la direction d'extrusion. On constate que les microstructures des barres d'alliage avec différents rapports d'extrusion produisent toutes une orientation préférentielle évidente. Avec un rapport d'extrusion de 17, une texture <115>+<100> plus faible se forme (figure 4a) ; avec un rapport d'extrusion de 39, les composantes de texture sont principalement la texture <100> plus forte et une petite quantité de texture <115> plus faible (figure 4b) ; avec un rapport d'extrusion de 156, les composantes de texture sont la texture <100> avec une résistance significativement accrue, tandis que la texture <115> disparaît (figure 4c). Des études ont montré que les métaux cubiques à faces centrées forment principalement des textures de fil <111> et <100> lors de l'extrusion et de l'étirage. Une fois la texture formée, les propriétés mécaniques de l'alliage à température ambiante présentent une anisotropie évidente. La résistance de la texture augmente avec le rapport d'extrusion, ce qui indique que le nombre de grains dans une direction cristalline donnée, parallèlement à la direction d'extrusion, dans l'alliage augmente progressivement, et que la résistance à la traction longitudinale de l'alliage augmente. Les mécanismes de renforcement des matériaux extrudés à chaud en alliage d'aluminium 6063 comprennent le renforcement des grains fins, le renforcement des dislocations et le renforcement de la texture. Dans la gamme des paramètres de procédé utilisés dans cette étude expérimentale, l'augmentation du rapport d'extrusion a un effet bénéfique sur ces mécanismes de renforcement.
Fig.4 Diagramme des pôles inverses des tiges en alliage d'aluminium 6063 avec différents rapports d'extrusion le long de la direction d'extrusion
La figure 5 est un histogramme des propriétés de traction de l'alliage d'aluminium 6063 après déformation à différents rapports d'extrusion. La résistance à la traction de l'alliage moulé est de 170 MPa et l'allongement de 10,4 %. Après extrusion, la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage sont nettement améliorés et augmentent progressivement avec le rapport d'extrusion. Lorsque le rapport d'extrusion est de 156, la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage atteignent leurs valeurs maximales, soit respectivement 228 MPa et 26,9 %, soit environ 34 % de plus que la résistance à la traction de l'alliage moulé et environ 158 % de plus que l'allongement. La résistance à la traction de l'alliage d'aluminium 6063 obtenue par un rapport d'extrusion élevé est proche de celle (240 MPa) obtenue par extrusion angulaire à canaux égaux (ECAP) en 4 passes, ce qui est bien supérieur à celle (171,1 MPa) obtenue par extrusion ECAP en 1 passe de l'alliage d'aluminium 6063. On constate qu'un rapport d'extrusion élevé peut améliorer dans une certaine mesure les propriétés mécaniques de l'alliage.
L'amélioration des propriétés mécaniques de l'alliage par le rapport d'extrusion provient principalement du renforcement par affinage des grains. Plus le rapport d'extrusion augmente, plus les grains s'affinent et plus la densité de dislocations augmente. Un nombre plus élevé de joints de grains par unité de surface peut efficacement entraver le mouvement des dislocations, combiné à leur mouvement mutuel et à leur enchevêtrement, améliorant ainsi la résistance de l'alliage. Plus les grains sont fins, plus les joints de grains sont tortueux, et la déformation plastique peut être dispersée dans un plus grand nombre de grains, ce qui empêche la formation de fissures, et encore moins leur propagation. Une plus grande quantité d'énergie peut être absorbée lors du processus de fracture, améliorant ainsi la plasticité de l'alliage.
Fig.5 Propriétés de traction de l'alliage d'aluminium 6063 après coulée et extrusion
La morphologie de la rupture par traction de l'alliage après déformation avec différents rapports d'extrusion est illustrée à la figure 6. Aucune fossette n'a été trouvée dans la morphologie de la fracture de l'échantillon brut de coulée (figure 6a), et la fracture était principalement composée de zones plates et d'arêtes de déchirure, indiquant que le mécanisme de rupture par traction de l'alliage brut de coulée était principalement une rupture fragile. La morphologie de la fracture de l'alliage après extrusion a considérablement changé, et la fracture est composée d'un grand nombre de fossettes équiaxes, indiquant que le mécanisme de rupture de l'alliage après extrusion est passé d'une rupture fragile à une rupture ductile. Lorsque le rapport d'extrusion est faible, les fossettes sont peu profondes et leur taille est grande, et leur distribution est irrégulière ; lorsque le rapport d'extrusion augmente, le nombre de fossettes augmente, leur taille est plus petite et leur distribution est uniforme (figures 6b~f), ce qui signifie que l'alliage a une meilleure plasticité, ce qui est cohérent avec les résultats des essais de propriétés mécaniques ci-dessus.
3 Conclusion
Dans cette expérience, les effets de différents rapports d'extrusion sur la microstructure et les propriétés de l'alliage d'aluminium 6063 ont été analysés, à condition que la taille de la billette, la température de chauffage du lingot et la vitesse d'extrusion restent inchangées. Les conclusions sont les suivantes :
1) La recristallisation dynamique se produit dans l'alliage d'aluminium 6063 lors de l'extrusion à chaud. Avec l'augmentation du taux d'extrusion, les grains sont continuellement affinés et les grains allongés dans le sens de l'extrusion se transforment en grains recristallisés équiaxes, ce qui augmente continuellement la résistance de la texture du fil <100>.
2) Grâce au renforcement des grains fins, les propriétés mécaniques de l'alliage s'améliorent avec l'augmentation du rapport d'extrusion. Dans la plage des paramètres d'essai, avec un rapport d'extrusion de 156, la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage atteignent respectivement des valeurs maximales de 228 MPa et 26,9 %.
Fig.6 Morphologies de rupture par traction de l'alliage d'aluminium 6063 après coulée et extrusion
3) La morphologie de la fracture de l'éprouvette brute de moulage est composée de zones planes et de bords de déchirure. Après extrusion, la fracture est composée d'un grand nombre de fossettes équiaxes, et le mécanisme de fracture passe d'une fracture fragile à une fracture ductile.
Date de publication : 30 novembre 2024
