L'effet de la composition de l'alliage sur la dureté de la fracture des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium sont de plus en plus utilisés dans les secteurs aérospatial, automobile et biomédical en raison de leur faible densité et de leur rapport résistance-poids exceptionnel. Une mesure des performances critiques pour ces applications est la résistance à la rupture, la résistance du matériau à la propagation des fissures et à la rupture soudaine.

Comprendre la dureté de la fracture dans les alliages de magnésium

La résistance à la fracture quantifie la capacité d'un matériau à supporter une croissance de fissures instables. Dans la mécanique de fractures élastiques linéaires, elle est exprimée comme le facteur d'intensité de contrainte critique K[Ic. Pour les matériaux présentant une plasticité significative, l'approche J‐intégrale est utilisée. Les méthodes d'essai des alliages de magnésium suivent des normes telles que ASTM E399 pour la résistance à la fracture plane et ASTM E1820 pour la ténacité élastique-plastique.

Les alliages de magnésium, qui sont hexagonaux et sont fermés (HCP), présentent un comportement de fracture anisotrope. La propagation de la fissure est souvent plus facile sur les plans basaux, ce qui rend le contrôle de la texture aussi important que la composition.

Composition de l'alliage et évolution microstructurale

La composition chimique d'un alliage de magnésium détermine les phases de formation, leur fraction de volume et la façon dont elles sont distribuées. Les éléments d'alliage communs comprennent l'aluminium, le zinc, le manganèse, le zirconium et les éléments de terres rares (RE).

Rôle de l'aluminium et du zinc

L'aluminium est un élément d'alliage primaire dans les alliages commerciaux tels que AZ31 (Mg‐3Al‐1Zn) et AZ91 (Mg‐9Al‐1Zn). L'aluminium augmente la résistance par durcissement à la solution solide et par la formation du β‐Mg17Al12] phase intermétallique. Cependant, à une teneur élevée en aluminium (>8 % en poids), la phase β précipite comme un réseau fragile le long des limites des grains, réduisant la résistance à la rupture. Le zinc raffine généralement la taille du grain et modifie la morphologie du Mg[17Al[12], améliorant la dureté dans une certaine mesure.

Contribution du manganèse et du zirconium

Dans les alliages commerciaux comme AM60, le manganèse n'altère pas de façon significative le comportement de solidification, mais peut influencer la précipitation des intermétalliques contenant du fer, ce qui affecte indirectement la ténacité. Le zirconium agit comme un puissant raffineur de grains dans les alliages qui ne contiennent pas d'aluminium (depuis que Zr forme des composés stables avec Al). Dans le ZK60 (Mg‐6Zn‐0.5Zr), le zirconium crée une structure de grains équiaxes qui améliore la ténacité de fracture en favorisant la déflexion des fissures et en limitant la propagation des fissures de clivage.

Éléments géocroiseurs rares

Les éléments de la terre rare tels que l'yttrium (Y), le néodyme (Nd) et le gadolinium (Gd) sont utilisés dans les alliages de magnésium à haute performance, notamment la série WE (Mg‐Y‐Nd‐Zr). Ils forment des phases intermétalliques thermiquement stables (p. ex., les structures Mg24Y[5, Mg[5Gd) et les structures de empilage à longue période ordonnées (LPSO). Les phases LPSO sont particulièrement efficaces pour empêcher la propagation des fissures parce qu'elles constituent des obstacles au déplacement et à la croissance des fissures.

Mécanismes microstructuraux régissant la dureté de la fracture

La résistance à la rupture des alliages de magnésium est régie par des caractéristiques microstructurales qui influencent à la fois l'initiation et la propagation de la fissure.

Taille du grain et relation entre le hall et le pelage

Dans le cas du magnésium HCP, le jumelage est un mode de déformation important, et les grains plus petits suppriment le jumelage, ce qui entraîne une déformation plastique plus uniforme. Le coefficient Hall–Petch pour le magnésium est relativement élevé (~200 MPa·μm1/2), ce qui signifie que le raffinement du grain de 50 μm à 10 μm peut augmenter la résistance à la production et la résistance à la rupture. Cependant, les grains extrêmement fins (<1 μm) peuvent réduire la ductilité si d'autres phases se séparent aux limites.

Texture et anisotropie

La structure du HCP de Magnésium conduit à une forte texture cristallographique après déformation. Dans les feuilles laminées, les plans basaux s'alignent parallèlement au plan de roulement, créant un facteur Schmid élevé pour le glissement basal. Cette texture rend le matériau plus sensible à la propagation de fissures le long de la direction de roulement. La dureté de la fracture est généralement plus élevée lorsque le plan de fissure est orienté perpendiculairement à la texture basale.

Phases secondaires et intermétalliques

Les phases intermétalliques ont un double rôle. Les particules cassantes comme Mg17Al12 peuvent agir comme initiateurs de fissures en raison de la concentration de contraintes. Lorsqu'elles sont distribuées finement et discrètement, la même phase peut empêcher la croissance des fissures par le biais de mécanismes de contournement Orowan ou en favorisant la déflexion des fissures. Les phases LPSO dans les alliages contenant des RE sont particulièrement bénéfiques parce qu'elles déforment la matière plastique dans une certaine mesure et se lient fortement à la matrice.

Effets du traitement et du traitement thermique

Les conditions de transformation modifient la composition des alliages en microstructure. Les alliages moulés ont souvent des grains plus grands et des phases non-équilibres, réduisant la résistance à la rupture. L'extrusion et le laminage raffinent les grains et décomposent les réseaux fragiles, améliorant la résistance. Les traitements thermiques tels que la solution (T4) et le vieillissement (T6/T5) modifient la taille et la distribution des précipités. Pour AZ91, un traitement T6 à 415°C, suivi par le vieillissement à 200°C, produit une dispersion fine de β‐Mg17Al12 à l'intérieur des grains plutôt qu'aux limites, augmentant la résistance à la rupture de 20 à 30 %.

Tente de fracture comparée des systèmes communs d'alliage de magnésium

Pour illustrer l'effet de la composition, les valeurs de résistance à la rupture (KIc) pour les alliages représentatifs sont énumérées ci-dessous.

Ces valeurs montrent que les alliages contenant du RE présentent généralement une plus grande résistance à la rupture que les alliages à base d'aluminium, en raison de grains plus fins, de texture plus faible et de phases LPSO bénéfiques.

Orientations futures et stratégies de conception de l'alliage

La recherche continue de pousser la ténacité des alliages de magnésium au-delà des limites actuelles.Une approche prometteuse est l'utilisation d'alliages de magnésium à éléments entropiques ou multiprincipaux, où les effets synergiques de plusieurs ajouts de RE peuvent créer des microstructures uniques.La conception d'alliages calculateurs utilisant CALPHAD et l'apprentissage machine permet un dépistage rapide des relations de composition-toughness. Les approches nanocomposites, comme l'incorporation de nanoparticules céramiques (p. ex. SiC, TiB2), peuvent accroître la ténacité de fracture en favorisant la déflexion et le pontage des fissures.

L'intégration de la résistance à la rupture dans les spécifications des alliages devient standard dans l'aérospatiale (p. ex. SAE AMS4417 pour WE43) et les critères de résistance aux chocs automobiles.

Conclusion

La composition en alliage détermine directement la résistance à la rupture des alliages de magnésium par son influence sur la taille des grains, la texture, la distribution des phases et les caractéristiques de précipité. L'aluminium et le zinc sont efficaces mais doivent être équilibrés pour éviter les réseaux fragiles. Le manganèse et le zirconium raffinent les grains et améliorent indirectement la ténacité. Les éléments de la terre rare offrent les améliorations les plus cohérentes en formant des phases stables d'interaction ductile et une texture randomisante.