Brevet FR2731440A1 — publié le 19960913

TOLES EN ALLIAGE AL-CU-MG A FAIBLE NIVEAU DE CONTRAINTES RESIDUELLES Domaine technique L'invention concerne des tôles fortes (épaisseur > 12 mm), moyennes (épaisseur comprise entre 3 et 12 mm) ou minces (épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm) en alliage d'aluminium Al-Cu-Mg à haute résistance, appartenant à la série 2000 selon les désignations de l'Aluminum Association des USA, présentant après trempe un faible niveau de contraintes résiduelles, tout en gardant des caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la rupture, limite élastique et allongement) élevées, une très bonne tolérance aux dommages, une faible vitesse de propagation de fissures et une bonne tenue en fatigue, cet ensemble de propriétés étant particulièrement adapté à leur utilisation dans la construction aéronautique. Ces tôles peuvent être utilisées nues ou plaquées avec un20 autre alliage d'aluminium présentant, par exemple, une meilleure résistance à la corrosion. Etat de la technique Les contraintes résiduelles présentes dans les tôles d'aluminium à durcissement structural proviennent de la trempe qu'il est nécessaire d'effectuer pour leur procurer de bonnes propriétés mécaniques. Le choc thermique engendré par le refroidissement brutal à partir des hautes températures30 nécessaires à la mise en solution des éléments d'addition, conduit à de très fortes contraintes internes. Ces contraintes sont gênantes car elles entraînent des déformations importantes lorsque les toles sont usinées, ce qui est fréquemment le cas dans la construction aéronautique.35 Pour diminuer ces contraintes, on recourt à divers procédés de détensionnement après trempe, par exemple une traction ou une compression contrôlée, permettant de réduire les contraintes internes sans affecter les propriétés du produit, comme le ferait un traitement thermique. La recherche dans ce domaine a consisté essentiellement à optimiser les opérations de traction ou de compression nécessaires pour assurer un détensionnement efficace. Par ailleurs, beaucoup de travaux ont été effectués sur l'opération de trempe elle-même. Celle-ci est généralement effectuée par immersion ou aspersion avec de l'eau froide et les vitesses de refroidissement obtenues de cette manière sont10 souvent inutilement élevées. En effet, chaque alliage possède une vitesse critique de trempe; si on refroidit moins vite que cette vitesse critique, on a une décomposition de la solution solide entrainant une baisse importante des caractéristiques mécaniques finales ainsi que de la tolérance aux dommages. Il15 faut donc tremper plus vite que cette vitesse critique, mais il est inutile d'aller beaucoup au-delà, car on sait que, plus le refroidissement est intense, plus les contraintes internes sont élevées. Il y a ainsi un compromis à trouver pour optimiser la trempe20 des toles avec un refroidissement qui évite toute diminution des caractéristiques mécaniques finales et minimise les contraintes internes. But de l' linvention L'invention a pour but d'obtenir, sur des tôles en alliage à durcissement structural du type Al-Cu-Mg, un niveau réduit de contraintes résiduelles après trempe, tout en maintenant des caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la30 rupture, limite élastique et allongement) et une tenue en fatigue aussi élevées que celles des alliages actuels, et en améliorant, pour les tôles fortes, la tenacité dans les différentes directions et la vitesse de fissuration dans les directions long- travers (L-T) et travers-long (T-L), sans rien35 changer pour autant aux procédures couramment utilisées pour la trempe et le détensionnement. Objet de l'invention L'invention a pour objet une tôle d'épaisseur > 0,5 mm en alliage d'aluminium de composition (% en poids):5 3,5 0,17% et même 0,10%, le cuivre à 4%, le magnésium à 1,5% et le manganèse à 0,4%. Les tôles présentent à l'état trempé une limite élastique R0,2 dans le sens travers long supérieure à 290 MPa, et à l'état trempé revenu, supérieure à 400 MPa. Lorsqu'il s'agit35 de tôles plaquées, comme par exemple celles utilisées pour la fabrication des fuselages d'avions, on pratique généralement un placage 2 faces en alliage d'aluminium peu chargé et présentant une bonne résistance à la corrosion, chaque couche de placage pouvant représenter entre 4 et 6% de l'épaisseur totale pour les tôles les plus minces jusqu'à 2 à 4% de l'épaisseur totale pour les tôles d'épaisseur > 1,6 mm, ce qui5 fait que l'épaisseur totale du placage n'excède jamais 12% de cette épaisseur totale. Pour ces tôles plaquées, les limites d'élasticité dans les sens L-T et T-L sont respectivement supérieures à 270 et 380 MPa. Les tôles présentent une tenue en fatigue, mesurée sur10 éprouvettes plates à facteur de concentration de contrainte Kt - 2,3 avec un rapport R entre contrainte minimale et maximale de 0,1, telle que les contraintes acceptables à nombre de cycles donné sont supérieures à: 295 MPa pour 104 cycles 160 MPa pour 105 cycles MPa pour 106 cycles MPa pour 107 cycles Les tôles fortes d'épaisseur > 20 mm en alliage à moins de 0,2% de Fe présentent à l'état trempé et tractionné des tenacités mesurées par le facteur d'intensité de contrainte critique en déformation plane Klc dans les sens L-T et T-L respectivement supérieures à 35 et 32 MPaYi, et de préférence supérieures à 40 et 35 MPavS. A l'état trempé, tractionné et revenu, ces tenacités sont25 respectivement supérieures à 28 et 25 MPavW, et de préférence supérieures à 32 et 28 MPaii. Les tenacités mesurées dans le sens S-L pour les tôles d'épaisseur > 35 mm sont supérieures à 22, et de préférence 24 MPaV, à l'état trempé tractionné, et supérieures à 18, et de30 préférence 20 MPavi, à l'état trempé, tractionné et revenu. Les tôles fortes présentent aussi, dans les sens L-T et T-L, une vitesse de fissuration da/dn pour un chargement avec R = 0,1 inférieure à: 10-5 mm/cycle pour yK = 10 MPaf 10- 4 " 15 MPavi 6 10-4 20 MPavm 2 10-3 " 30 MPai Le code d'orientation des sens L-T, T-L et S-L est défini dans la norme ASTM E 399 relative aux essais de tenacité des matériaux métalliques. Les tôles d'épaisseur inférieure à 20 mm présentent une5 tenacité mesurée par le facteur d'intensité de contrainte critique en contrainte plane Kcb, dans le sens T-L, supérieure à 110 MPavm. Elle est mesurée sur une éprouvette de largeur 405 mm, avec une longueur d'entaille de 100 mm, et une épaisseur égale à celle de la tôle jusqu'à 6 mm et de 6 mm au- delà, cette épaisseur étant obtenue après un surfaçage symétrique. Description de l'invention Contrairement aux axes de recherche de l'art antérieur, les inventeurs ont recherché la réduction des contraintes résiduelles au niveau des paramètres métallurgiques intervenant en amont de la trempe. Les possibités de s'écarter des compositions des alliages20 existants pour les éléments d'addition majeurs (Cu et Mg) étant très réduites à cause des propriétés mécaniques élevées qu'il est nécessaire d'obtenir, les inventeurs ont recherché des modifications des teneurs en éléments d'addition mineurs et ont trouvé que les meilleurs résultats en terme de25 réduction des contraintes résiduelles, et donc de stabilité à l'usinage, étaient obtenus lorsque les teneurs pondérales en fer et manganèse étaient telles que: Mn ces compositions successives, la teneur en Mn n'a pas changé. Les compositions selon l'invention conduisent à une microstructure largement recristallisée, avec un taux de recristallisation toujours supérieur à 50% et un gradient de5 recristallisation entre la surface et le coeur de la tôle toujours inférieur à 35%. Ceci est particulièrement remarquable pour les tôles épaisses qui présentent, à mi- épaisseur, une structure nettement plus recristallisée que les tôles de l'art antérieur de même composition en éléments majeurs. Contrairement à ce à quoi pouvait s'attendre le métallurgiste spécialiste des alliages d'aluminium de haute résistance, cette structure très recristallisée et les basses teneurs en Mn, qui participe au durcissement de l'alliage grâce aux fins15 précipités A120Cu2Mn3 et AlMn6, n'affectent pas de façon significative les caractéristiques mécaniques statiques de la tôle. De plus, on constate que les propriétés de fatigue sont également conservées, alors qu'on aurait pu s'attendre également à une diminution de la résistance à la fatigue. De plus, dans le cas des tôles fortes d'épaisseur > 20 mm, les inventeurs ont constaté, de manière inattendue, que la structure largement recristallisée conduisait à des tenacités, mesurées par le facteur Klc d'intensité de contrainte critique en déformation plane selon la norme ASTM E 399,25 supérieures dans toutes les directions. Enfin, ces tôles épaisses à structure largement recristallisée présentent des vitesses de fissuration dans les sens L-T et T- L plus faibles que les tôles de même composition en éléments majeurs de l'art antérieur. Elles permettent ainsi de réaliser30 un compromis très intéressant entre les caractéristiques mécaniques statiques et les propriétés de tolérance aux dommages (tenacité et vitesse de fissuration). Pour les tôles minces, les inventeurs ont constaté une influence positive de la composition selon l'invention sur35 l'allongement dans le sens travers-long de la tôle, contrairement à l'idée généralement admise d'un effet favorable des teneurs élevées en Mn et Fe sur cet allongement, puisque les fins précipités au manganèse permettent d'homogénéiser la déformation en limitant la formation de bandes de déformation. De même, il était généralement admis par les métallurgistes que, pour des tôles minces ou moyennes,5 une structure très recristallisée et à grains fins, reconnue comme étant bénéfique à l'allongement, était plutôt obtenue avec des teneurs en Mn et Fe élevées. Ainsi, la baisse de la teneur Mn - 2Fe en dessous du seuil de 0,2% conduit, aussi bien pour les tôles minces que pour les tôles épaisses, non seulement à une réduction des contraintes résiduelles entrainant une meilleure stabilité à l'usinage, mais également à un ensemble de propriétés d'emploi particulièrement intéressant pour la construction aéronautique. Il n'est cependant pas souhaitable que la valeur15 de Mn - 2Fe devienne négative, car on constate alors une dégradation des caractéristiques mécaniques sans gain supplémentaire dans la réduction des contraintes internes. Les tôles selon l'invention présentent, à l'état trempé et tractionné, ou & l'état trempé, tractionné et revenu, un20 niveau de contraintes résiduelles tel que la flèche f mesurée après usinage à mi-épaisseur d'un barreau reposant sur deux supports distants d'une longueur 1 est telle que: fe de son aptitude à ne pas se déformer à l'usinage. Pour les tôles fortes d'épaisseur supérieure à 20 mm, la longueur b des barreaux est de 5e + 20 mm. L'usinage est un usinage mécanique progressif avec des passes d'environ 2 mm.5 La mesure de la flèche à mi- longueur s'effectue à l'aide d'un comparateur au micron près, au milieu du barreau positionné entre deux couteaux distants de 1 = 5e, le barreau dépassant de 10 mm de part et d'autre des couteaux. Pour les tôles d'épaisseur Pour les épaisseurs entre 8 et 20 mm, l'usinage est un usinage mécanique avec des passes de 1 mm. En dessous de 8 mm, l'usinage est chimique dans un bain de soude. Une des faces du15 barreau est protégée à l'aide d'un masque en plastique souple déposé avant l'essai. L'échantillon est sorti du bain d'attaque et son épaisseur est contrôlée toutes les 15 mn. Pour les tôles minces d'épaisseur la flèche. Ces produits présentent une limite d'élasticité > 290 MPa à5 l'état trempé et détensionné, et > 400 MPa à l'état trempé, détensionné et revenu. Description des figures Les figures i à 10 représentent les résultats comparatifs mentionnés dans les 3 exemples de manière à montrer les améliorations de propriétés apportées par les tôles selon l'invention. Les figures 1 et 2 montrent l'amélioration de la stabilité à15 l'usinage dans le sens long (L) et dans le sens travers-long (TL) pour des tôles fortes. La figure 3 montre pour ces tôles l'amélioration de l'isotropie de la stabilité à l'usinage entre les sens L et TL.20 Les figures 4, 5 et 6 montrent pour ces mêmes tôles l'amélioration de la tenacité dans les sens L-T, T-L et S-L. La figure 7 illustre les résultats de tenue en fatigue. La figure 8 montre l'amélioration relative à la vitesse de fissuration.25 La figure 9 montre l'amélioration de l'allongement dans le sens TL sur des tôles minces. La figure 10 montre l'amélioration de la stabilité à l'usinage pour des tôles minces. Les figures 11 et 12 illustrent les résultats concernant la30 stabilité à l'usinage et les vitesses de fissuration pour des tôles moyennes. Exemples Ex ple 1 On a réalisé plusieurs coulées semi-continues de plaques en différents alliages du type 2024 selon la nomenclature de l'Aluminum Association. Toutes les plaques ont les mêmes dimensions et ont été coulées selon les mêmes procédures. Elles ont suivi une gamme de transformation classique de tôles5 fortes, c'est-à-dire: réchauffage avec homogénéisation, laminage à chaud, mise en solution, trempe à l'eau froide par aspersion, traction contrôlée suivant la norme EN 515 entre 1,5 et 3%, maturation à température ambiante. On obtient ainsi des tôles d'épaisseur 55 mm à l'état T351 selon la nomenclature de l'Aluminum Association. Les compositions des alliages coulés étaient les suivantes: Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr A1 0,11 0,23 4,32 0,63 1,43 0,022 0,11 0,02 0,01415 A2 0,08 0,17 4,52 0,52 1,40 0,008 0,10 0,02 0,002 A3 0,08 0,16 4,48 0,51 1,41 0,007 0,08 0,02 0,002 A4 0,08 0,15 4,32 0,37 1,29 0,005 0,05 0,02 0,001 A5 0,08 0,16 4,44 0,54 1,30 0,008 0,08 0,02 0,002 On a effectué sur ces tôles les mesures suivantes: - flèche après usinage selon la méthode décrite précédemment. On constate que les flèches obtenues sur les tôles en alliages A2, A3 et A4 selon l'invention sont plus faibles, en particulier dans le sens L, que pour celles en25 alliages A1 et A5 hors invention. - caractéristiques mécaniques statiques (résistance à la rupture Rm, limite élastique à 0,2% R0,2, allongement à la rupture A) dans le sens TL (travers de laminage) et TC (travers court) Les éprouvettes sens TL sont prélevées au quart épaisseur de la tôle. - tenacités mesurées dans les sens L-T, T-L, et S-L suivant les normes ASTM E399 et B645. L'amélioration apparait aux figures 4 à 6.35 - taux de recristallisation en surface, au quart épaisseur et à mi-épaisseur, mesuré à partir de micrographies. L'ensemble des résultats ci-dessus est regroupé dans le tableau 1. - durées de vie en fatigue mesurées dans les directions L et T-L selon la norme ASTM E466, pour les échantillons n 3 (alliage A1 hors invention) et n 9 (alliage A4 selon l'invention). Les éprouvettes sont des éprouvettes plates de 3 mm, prélevées au quart épaisseur des toles. L'usinage d'un trou central permet d'avoir un facteur de concentration des contraintes Kt = 2,3. Le chargement est avec un rapport R de la contrainte minimale à la contrainte maximale de 0,1. Les10 résultats indiqués au tableau 2, sont sensiblement identiques dans les sens L et TL. Ils sont représentés à la figure 7 et on constate des résultats très voisins pour les 2 alliages. vitesses de fissuration da/dn mesurées, également pour les échantillons n 3 et 9, dans les directions T-L et L-T selon la norme ASTM E647, avec un rapport R = 0,1, pour des valeurs de K comprises entre 10 et 30 MPa i. Les éprouvettes sont des éprouvettes CT 35 prélevées au quart épaisseur des tôles. Les résultats, indiqués dans le tableau 3, sont très proches dans les deux directions. On constate sur la figure 820 que les vitesses de fissuration sont plus faibles pour l'échantillon ne 9 que pour l'échantillon n 3. Exoeple 2 On a coulé en semi-continu des plaques en alliage du type 2024 qu'on a soumis à une gamme de transformation classique de toles minces plaquées, à savoir: réchauffage, colaminage à chaud avec 2 toles de couverture en alliage 1070, refroidissement, laminage à froid, mise en solution, trempe à30 l'eau froide, parachèvement par planage et traction contrôlée, maturation à température ambiante. On obtient ainsi des toles de 1,6 mm d'épaisseur à l'état T351, avec, sur chaque face, une épaisseur de placage représentant 5% de l'épaisseur de la tôle.35 Les compositions de l'alliage 2024 étaient les suivantes: Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr A6 0,09 0,19 4,38 0,63 1,50 0,013 0,10 0,024 0,014 A7 0,079 0,17 4,36 0,52 1,30 0,012 0,013 0,022 Sur ces tôles on a mesuré: - la flèche après usinage suivant la méthode décrite précédemment. On constate que, pour l'alliage A7 selon l'invention, ces fléches sont nettement réduites, aussi bien dans le sens L que dans le sens TL, par rapport à l'alliage A610 hors invention, et qu'on vérifie la relation: fe - les caractéristiques mécaniques statiques suivant le sens TL (moyenne de 2 éprouvettes prélevées dans le sens travers du laminage et de 4 tôles par alliage). Les résultats sont repris dans le tableau 4. On constate à la15 figure 9 une amélioration de l'allongement dans le sens TL de l'alliage A7 par rapport à A6, et, sur la figure 10, une diminution de la flèche à l'usinage entre ces mêmes alliages. EHzmple 3 On a coulé par coulée semi-continue des plaques de mêmes dimensions et suivant la même procédure de coulée. Ces plaques ont suivi une gamme de transformation classique de tôles moyennes, c'est-à- dire: réchauffage, laminage à chaud, mise en25 solution, trempe à l'eau froide, traction contrôlée, maturation à température ambiante. On obtient ainsi des tôles d'épaisseur 12 mm à l'état T351 de composition: Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Zr A8 0,08 0,17 4,45 0,53 1,46 0,007 0,005 0,06 0,02 0,002 On a mesuré sur ces tôles: - la flèche après usinage selon la procédure décrite précédemment, - les caractéristiques mécaniques statiques suivant le sens TL (travers de laminage), - le taux de recristallisation en surface, au quart épaisseur et à mi-épaisseur. Les résultats sont présentés dans le tableau 5 et illustrés aux figures 11 et 12. FwAdHj ua 9113:U?.L ned!6 ua vOi I 'mu _i iZ IZI'9 T"i t1 8ú' ú 69t 6Z OL 88 66 SZ OSI SS zi - j IS NIú 81t VLI 9úú 89t 1i Z9 98 96 - 8ZI. 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(lli) I' tôle c (mli) fAllia[cL ITL Surface qtart Coeur Fcart Surface - CoeurRm (MPa) RO.2 (MPa) A% [ 1I A8I 240 i480 90 1 90 1 67 23 465 335 15 22 12 A8 710 90 100 99 97 3 470 339 15 oo REVENDICATIONS 1) Tôle en alliage d'aluminium AlCuMg d'épaisseur > 0,5 mm, de composition (% en poids): 3,5 tractionné et revenu une flèche après usinage à mi- épaisseur d'un barreau reposant sur 2 supports distants d'une longueur 1 telle que: fe la tôle en mm et 1 la longueur du barreau en mm. 2) Tôle selon la revendication 1 caractérisée en ce que fe 0,09 12. 3) Tôle selon la revendication 2, caractérisée en ce que: fe ) Tôle selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle Fe 6) Tôle selon l'une des revendications 1 à 5 dans laquelle Si 7) Tôle selon la revendication 6 dans laquelle Si 8) Tôle selon l'une des revendications 1 à 7 dans laquelle Cu 9) Tôle selon l'une des revendications 1 à 8 dans laquelle Mg ) Tôle selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que Mn 11) Tôle selon l'une des revendications 1 à 10 présentant entre les barreaux usinés à mi-épaisseur dans les sens L et TL une isotropie des flèches après usinage telle que: (flèche barreau L) 12) Tôle selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'écart entre le taux de recristallisation après trempe entre la surface et la mi-épaisseur est %. 14) Tôle selon l'une des revendications i à 13, caractérisée en ce qu'elle présente à l'état trempé et tractionné une limite élastique dans le sens TL > 290 MPa. ) Tôle selon l'une des revendications 1 à 13 présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une limite élastique dans le sens TL > 400 MPa. 16) Tôle plaquée selon l'une des revendications 1 à 13 présentant à l'état trempé et tractionné une limite élastique dans le sens TL > 270 MPa. 17) Tôle plaquée selon l'une des revendications 1 à 13, présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une limite élastique > 380 MPa. 18) Tôle selon l'une des revendications 1 à 17 présentant une tenue en fatigue telle que les contraintes maximales acceptables à nombre de cycles donné soient supérieures respectivement à: 295 MPa pour 104 cycles MPa " 105 cycles MPa " 106 cycles MPa " 107 cycles. 19) Tôle d'épaisseur > 20 mm selon l'une des revendications 1 à 18 présentant à l'état trempé tractionné une tenacité Klc dans le sens L-T > 35 MPaV-F. 20) Tôle d'épaisseur > 20 mm selon l'une des revendications 1 à 19 présentant à l'état trempé tractionné une tenacité Klc dans le sens T-L > 32 MPavr. 21) Tôle selon la revendication 19 présentant à l'état trempé tractionné une tenacité Klc dans le sens L-T > 40 MPa%$. 22) Tôle selon la revendication 20 présentant à l'état trempé tractionné une tenacité Klc dans le sens T-L > 35 MPa.iE 23) Tôle d'épaisseur > 35 mm selon l'une des revendications 19 à 22 présentant une tenacité Klc dans le sens S-L > 22 MPavI. 24) Tôle selon la revendication 23 présentant une tenacité dans le sens S-L > 24 MPavi. ) Tôle d'épaisseur > 20 mm selon l'une des revendications 1 à 18 présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une tenacité Klc dans le sens L-T supérieure à 28 MPavf. 26) Tôle d'épaisseur > 20 mm selon l'une des revendications 1 à 18 présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une tenacité Klc dans le sens T-L > 25 MPavi. 27) Tôle selon la revendication 25 présentant une tenacité Kic dans le sens L-T > 32 MPaVW. 28) Tôle selon la revendication 26 présentant une tenacité Klc dans le sens T-L > 28 MPaW. 29) Tôle d'épaisseur > 35 mm selon les revendications 25 à 28 présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une tenacité Klc dans le sens S-L > 18 MPavF. 30) Tôle selon la revendication 29 présentant à l'état trempé, tractionné et revenu une tenacité Klc dans le sens S-L > 20 MPafvI. 31) Tôle d'épaisseur > 20 mm selon l'une des revendications 1 à 18 présentant une vitesse de fissuration da/dn inférieure à: 10-5 mm/cycle pour LK 10 MPai -4 " 15 " 6 10-4 " " 20 " 2 10-3 " 30 i 32) Tôle d'épaisseur à 18 présentant une tenacité Kcb dans le sens T-L > 110 MPavlA. 33) Tôle d'épaisseur à 18 présentant une rugosité Ra après usinage chimique 34) Tôle d'épaisseur également mesurée en mm. 36) Produit selon la revendication 35 présentant à l'état trempé detensionné une limite d'élasticité RO,2 > 290 MPa. 37) Produit selon la revendication 35 présentant à l'état trempé, détensionné et revenu une limite d'élasticité > 400 MPa.