Hot tearing behavior and underlying mechanisms of Mg-xCu-2xGd alloys with varying total Cu and Gd content
Cette étude démontre que l'augmentation de la teneur totale en Cu et Gd dans les alliages Mg-Cu-Gd réduit significativement la susceptibilité à la fissuration à chaud en raccourcissant la phase d'alimentation interdendritique, en améliorant la cicatrisation des fissures grâce à la formation de la phase LPSO, et en retardant l'accumulation de contraintes pendant la solidification.
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Le magnésium est un métal qui offre une combinaison rare d'une légèreté incroyable et d'une force surprenante, ce qui en fait un matériau de rêve pour la construction d'avions et de voitures devant économiser du carburant. Cependant, transformer ce métal en formes utiles est notoirement difficile. Lorsque le magnésium en fusion refroidit pour devenir solide, il se contracte de manière significative. Si le métal est maintenu en place par un moule pendant qu'il se contracte, des contraintes internes s'accumulent. Parce que le métal est encore partiellement liquide et partiellement solide durant ce processus de refroidissement, il est faible et fragile. Si la contrainte devient trop grande avant que le métal ne soit complètement durci, il se déchire de l'intérieur, créant des fissures appelées déchirures à chaud. Ces défauts gâchent le produit final, limitant la taille ou la complexité d'une pièce en magnésium. Pour résoudre cela, les scientifiques mélangent le magnésium avec d'autres éléments comme le cuivre et des métaux de terres rares pour créer des alliages plus résistants, mais ils doivent encore comprendre exactement comment ces mélanges se comportent pendant leur refroidissement afin de prévenir ces fissures catastrophiques.
Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie de Shenyang et de l'Institut de recherche sur les métaux s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en étudiant une famille spécifique d'alliages de magnésium mélangés à du cuivre et du gadolinium, un élément de terre rare. Ils ont créé quatre versions différentes de cet alliage, chacune possédant une quantité totale différente de cuivre et de gadolinium, tout en conservant toujours le même ratio entre les deux éléments. Leur objectif était de voir si l'ajout de ces ingrédients rendrait le métal moins susceptible de se déchirer lors de sa solidification. Ils ont versé le métal en fusion dans un moule spécial en forme de T, conçu pour forcer le métal à se contracter d'une manière qui révélerait toute faiblesse. En observant comment le métal refroidissait et en mesurant la contrainte qu'il subissait, ils pouvaient voir exactement quand et pourquoi des fissures se formaient, ou si elles parvenaient à se guérir elles-mêmes.
Les résultats ont montré une tendance claire et encourageante : à mesure que les chercheurs augmentaient la quantité totale de cuivre et de gadolinium dans le mélange, le métal devenait beaucoup plus résistant à la déchirure. L'alliage ayant la plus faible quantité de ces additifs a subi des fractures complètes au centre du moule, tandis que l'alliage ayant la plus grande quantité n'a présenté que de minuscules fissures capillaires qui n'ont pas brisé la pièce. Les scientifiques ont découvert que cette amélioration s'est produite parce que les ingrédients supplémentaires ont changé la façon dont le métal se comporte dans ses derniers instants de refroidissement. Dans les alliages contenant plus d'additifs, les minuscules structures arborescentes qui se forment lorsque le métal commence à se solidifier sont restées espacées plus longtemps, permettant au métal liquide de circuler librement dans les interstices qui apparaissaient. Ce liquide circulant a agi comme un remplissage naturel, se précipitant dans les petites fissures avant qu'elles ne puissent grandir.
Un facteur clé de ce processus de guérison a été la formation d'une structure interne spécifique appelée phase ordonnée à longue période. Dans les alliages avec une teneur plus élevée en cuivre et en gadolinium, davantage de cette structure s'est formée. Cette phase a agi comme un pont, connectant les parties solides du métal et aidant à distribuer la contrainte plus uniformément. Lorsqu'une fissure commençait à se former, le métal liquide riche en cuivre et en gadolinium coulait dans l'écart et se solidifiait en cette structure de pontage. Une fois solide, ce nouveau matériau formait un lien serré et sans couture avec le métal environnant, soudant efficacement la fissure et empêchant sa réouverture. Les chercheurs ont également découvert que le processus de formation de cette structure libérait de la chaleur, ce qui ramollissait le squelette du métal juste assez pour retarder l'accumulation de contrainte, donnant ainsi plus de temps au liquide pour circuler et réparer les dommages.
Pour comprendre exactement comment ces alliages résistaient à la déchirure, l'équipe a utilisé une approche mathématique pour mesurer la plage de température où le métal était le plus vulnérable. Ils ont découvert qu'une mesure spécifique, qui observait la chute de température lorsque le métal passait de principalement solide à totalement solide, correspondait parfaitement aux dommages physiques observés dans le moule. L'alliage ayant la plus haute teneur en cuivre et en gadolinium présentait le score le plus bas sur cette mesure, confirmant qu'il était le plus résistant à la déchirure. L'étude conclut qu'en ajustant soigneusement la quantité de ces éléments spécifiques, les ingénieurs peuvent créer des alliages de magnésium qui sont non seulement solides, mais aussi beaucoup plus faciles à couler sans défauts. Cette découverte offre une voie claire pour la conception de meilleures pièces en magnésium pour le futur, garantissant que la légèreté et la force du matériau ne soient pas perdues à cause des fissures qui ont historiquement entravé son utilisation.
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