FATIGUE DE L'ALUMINIUM PUR . MISE EN EVIDENCE D ... - EPFL

FATIGUE DE L'ALUMINIUM PUR . MISE EN EVIDENCE
D'UN PIC DE FROTTEMENT INTERIEUR EN RELATION
AVEC LES BOUC LES DE DISLOCATION OBSERVEES
THESE No. 298 (1977)
PRESENTEE AU DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES
BERNARD TIRBONOD
Ingenieur - physicien EPFL
originaire de France
acceptée sur proposition du jury :
Prof. B. Vittoz, rapporteur
Prof. P. F. Gobin, corapporteur
Prof. A. Châtelain, corapporteur
Prof. W.Kurz, corapporteur

TABLE DES MATIERES
Chapitre 1 INTRODUCTION
Chapitre II LA METHODE EXPERIMENTALE
II. 1 QUELQUES RAPPELS SUR LE FROTTEMENT
INTERIEUR
II. 2 QUELQUES RAPPELS SUR LES DEFAUTS -
CREES PAR FATIGUE
II. 3 LE PENDULE DE TORSION "LUTH"
II. 3.1 Généralités
II. 3.2 Excitation des oscillations
II. 3.3 Détection des oscillations et correction
de la dérive du zéro optique
II. 3.4 Changement de la fréquence des
oscillations
II. 3. 5 Chauffage de l'échantillon .
Mesure de la tem,~érature
II. 3. 6 Déformation de l'échantiilon par fatigue
ou par écrouissage
II. 3.7 Appareillage de mesure . Automatisation
II. 4 CONDITIONS DE MESURES
II. 4. 1 Les echantillons . Preparation
II. 4.2 La deformation par fatigue
11.4.3 Les mesures . Définition de la température
de recuit

Chapitre III
III. 1
III. 2
III. 3
UN SPECTRE DE FROTTEMENT INTERIEUR .
STRUCTURE DU TRAVAIL,
LE PIC DE BORDONI APRES FATIGUE
RESULTATS THEORIQUES SUR LE PIC
DE BORDONI
III. 1. 1 Généralités
III. 1.2 Relation du pic de Bordoni avec le fond
III. 1. 3 Hauteur, température et facteur d'élar -
gissement du pic de Bordoni en relation
avec les contraintes internes
RESULTATS EXPERIMENTAUX SUR LE PIC
DE BORDONI APRES FATIGUE
III. 2.1 Le pic de Bordoni après écrouissage
III. 2.2 Le pic de Bordoni entre 50 et 10 000 cycles
de fatigue
III. 2. 3 Essais sur l'aluminium 6N
III. 2 .4 Effet de l'amplitude de déformation
de mesure
DISCUSSION DES RESULTATS
III. 3.1 Introduction
III. 3. 2 Les contraintes internes dans l'échantillon
après fatigue
III. 3 .3 Evolution du réseau de dislocations en fonc-
tion de la température de recuit

III. 3.4 Effet du nombre de cycles sur le
réseau de dislocations . Longueur
et densité des dislocations 44
III. 3.5 Résume 45
Bibliographie 46
Chapitre IV LE PIC DE FATIGUE 47 '1
IV. 1 RESULTATS EXPERIMENTAUX EN
FROTTEMENT INTERIEUR
IV.l.l Lespectrevers250Kaprèsécrouissage.
Décomposition du spectre
IV. 1.2 Le spectre vers 250 K apr&s 50, 200,
10 000 et 100 000 cycles de fatigue
IV. 1.3 Le pic de fatigue apr&s 1000 cycles
IV. 1.4 Le pic de fatigue dans l'aluminium 6N .
Effet de la pureté du matériau
IV. 1. 5 Effet de l'amplitude de deformation de
mesure
IV. 1.6 Existence d'un pic vers 180 K
IV. 1.7 Essais sur d'autres métaux
IV. 2 RESULTATS EN MICROSCOPIE ELECTROMQUE
A TRANSMISSION
IV. 2.1 Les échantillons - Préparation -
Remarques genérales
IV. 2.2 Le reseau de dislocations aprés fatigue
et recuit
IV. 2.3 Les boucles et leur mouvement

IV. 3 DISCUSSION GENERALE DES RESULTATS .
PROPOSITION D'UN MECANISME POUR LE
PIC DE FATIGUE
IV. 4 L'INTERACTION DISLOCATION - BOUCLE
IV. 4.1 Introduction
IV. 4.2 L'interaction dislocation - boucle
IV. 5 FROTTEMENT INTERIEUR ET ANOMALIE DE
MODULE D'UN SOLIDE CONTENANT DES DIS-
LOCATIONS EN INTERACTION NON RIGIDE
AVEC DES BOUCLES
IV. 6 MECANISME RESPONSABLE DU PIC DE FATIGUE
ET EXPLOITATION DES RESULTATS EXPERIMEN-
TAUX
Bibliographie
Chapitre V DISCUSSION ET CONCLUSIONS 96
V. 1 EVOLUTION DES DISLOCATIONS ET DES BOUCLES
APRES FATIGUE ET RECUIT 9 6
V. 2 LA FORMATION DES BOUCLES DANS LES METAUX
C. F. C. ET LEUR MOUVEMENT 98
V. 3 PROPOSITIONS
Bibliographie

1. INTRODUCTION
La notion de défaut de structure cristalline permet d'expliquer de nom-
breuses propriétés d'un solide impossibles à décrire dans le modèle
du cristal parfait et il est remarquable qu'il suffise d'une très faible
concentration de ces imperfections (défauts ponctuels, dislocations)
pour mettre en défaut les prédictions de ce modèle.
Une caractéristique des solides est leur transformation au cours du
temps. Cette transformation,sous l'effet de la température, d'agents
chimiques ou de contraintes aboutit toujours à leur dégradation et les
défauts de structure sont des sites privilégiés pour l'amorce rapide d'
une transformation. L'étude de ces défauts s'avère donc fondamentale
pour une description réaliste du solide en vue d'en faire ressortir des
propriétés interessantes pour la technologie et d'en éviter la dégrada-
tion.
La fatigue d'un métal est le processus typique de transformation oii, au
cours de sollicitations cycliques, les trois agents mentionnés plus haut
concourent à la rupture de ce métal par l'initiation d'une fissure. La
rupture imprévisible d'une pièce est redoutable, son coût élevé et on
comprend l'abondance des recherches entreprises depuis plus de cent
ans pour éviter et comprendre ce phénomène. Toutefois,peu de travaux
portent sur l'aspect fondamental de la fatigue, c'est-à-dire, sa relation
avec les dkfauts de structure du cristal, et c'est dans cette optique que
se place notre travail.
Une méthode expérimentale sensible aux défauts de structure et A leur
manifestation dans le métal est le frottement intérieur. Cet essai, qui
consiste à mesurer l'amortissement des vibrations dans un solide pro-
duit par le mouvement des défauts, permet de discerner leur type, leur
localisation et l'analyse de quelques unes de leurs propriétés. C'est la
méthode que nous avons choisie.

Le désir d'apporter une contribution à une meilleure connaissance de
l'état du métal après fatigue nous conduit à étudier un métal pur, soit
l'aluminium. Ce métal a déjà fait l'objet de nombreuses recherches en
frottement intérieur dont quelques unes après fatigue et il convenait de
profiter de cet acquis.
La composition de ce travail est la suivante : dans une première par-
tie, nous décrivons la méthode expérimentale adoptée pour cette re-
cherche. 'Une deuxième partie expose quelques propriétés du réseau de
dislocations obtenues par l'analyse du pic de Bordoni. Dans la troisiè -
me partie, nous montrons que la déformation par fatigue est à l'origine
d'un pic de frottement intérieur. L'évolution de ce pic et celle du pic de
Bordoni permettent de déterminer la cinétique d'un des défauts créés
spécifiquement par la fatigue. Les mesures par frottement intérieur sont
complétées par des observations en microscopie électronique.