Contributions à la recherche

1. Liste des plus importantes contributions à la recherche

1.1 Mise en forme des composites (Publications 2.1.4, 2.1.7, 2.3.5 et 2.3.10)

La mise en forme (m-e-f) des composites à matrices métalliques pose des difficultés presque insurmontables, à cause de la présence des particules de renfort des céramiques. Ces particules sont plus dures que les outils de mise en forme (forgeage, laminage, usinage, etc.) et donc provoquent une usure accélérée de ceux-ci. Cette usure est un des grands freins du développement de ces matériaux.

À l'état semi-liquide, les composites métalliques ont un comportement thixotropique très marqué. Sous contrainte de cisaillement, ils se comportent comme des liquides. Toutes techniques de m-e-f qui favorisent l'application d'une contrainte de cisaillement permet donc la m-e-f sous de faibles contraintes et avec un taux d'usure des outils faible ou très faible. Nous avons mis au point une technique d'usinage par production de copeaux qui favorise la formation de l'état thixotrope et donc l'usinage avec de faibles forces. Le matériau est chauffé au ras du solidus, donc à l'état solide. Le frottement généré par le copeau sur l'outil suffit pour augmenter localement la température et donc porter le contact copeau - outil à l'état pâteux. Ce même cisaillement provoque le comportement thixotrope, c'est-à-dire que la force de coupe devient très faible. L'usure des outils est donc significativement réduite.

Il est souvent reproché que la m-e-f à l'état semi-solide exige des températures élevées et un bon contrôle de celles-ci. Pour tenir compte de cette objection fondée, nous proposons une m-e-f pendant l'étape d'homogénéisation (T6 des aluminiums) ce qui, par conséquent, ne change pas les procédures de traitements thermiques habituels.

1.2 Résistance au frottement des composites métalliques renforcés par des particules (CMM_P) (Publications 2.1.1, 2.1.5, 2.2.1 et 2.2.2)

Les composites à matrices d'aluminium présentant l'avantage d'une faible densité (env. 3 g/cm³) par rapport aux aciers et surtout aux fontes (env. 8 g/cm³). À cause de la présence de particules de carbure de chrome et/ou de fer, les fontes sont réputées bien résister aux frottements sévères et parfois très abrasifs. Les CMM_P ont été choisis à cause de leurs prix abordables (deux à trois fois le prix du métal de base). Les CMM_F (renforcés par des fibres) ont un prix de revient beaucoup plus élevés. De plus, les CMM_P sont pratiquement totalement recyclables, ce qui n'est pas le cas des CMM _F ou des composites polymériques. Nous avons donc fabriqué des CMM_P (à grosses et à très fines particules) et comparé la résistance de ces matériaux avec celle de la fonte aujourd'hui couramment utilisée. Pour cela, nous avons développé la notion de carte d'usure (taux d'usure du patin et partenaire en fonction du coefficient de friction). Nous avons montré que la présence d'une couche de lubrification solide est suffisante pou assurer un coefficient de friction constant aux environs de 0,4. Cette couche de lubrification solide doit comprendre au moins des particules d'oxyde de fer et d'oxyde de nickel.

Pour certaines applications où un coefficient de friction moyen est requis, les CMM_P sont des matériaux qui présentent l'avantage de leur faible poids.

Nous avons montré l'influence de la vitesse de frottement de la charge appliquée sur le taux d'usure et le coefficient de frottement. Par exemple, nous avons montré que, dans le stage II (lubrification solide), le coefficient de friction peut s'exprimer par m = A× R × V^m où R est la charge appliquée et V la vitesse de frottement. Cette loi est valable pour les frottements où la température reste constante, c'est-à-dire pour des matériaux bons conducteurs de la chaleur. Dans le cas contraire, la température du contact s'élève régulièrement jusqu'à la destruction du contact. La loi, dans ce dernier s'exprime par T = A× R ^u× V^m où les exposants de la pression et de la vitesse prennent des valeurs supérieures à l'unité. Un modèle de prédiction de la température a été écrit dans le cadre du projet confidentiel avec DBM. Ce programme par éléments finis permet de choisir le couple patin - partenaire en fonction de la vitesse et de la pression. On démontre ainsi que la présence de matériaux conducteurs de la chaleur est nécessaire sur le contact (Al, Fe, Ni).

1.3 Usinage des métaux et composites (Publications 2.1.2, 2.1.6, 2.1.10 à 2.1.13 et 2.2.3)

En général, l'usinage classique par enlèvement de copeaux est correctement décrit par la loi de Taylor T× V^m = C où V représente la vitesse d'usinage (de coupe) et T le temps de vie de l'outil. Ce temps de vie est, en général, mesuré par n _b, l'usure du talonnage de l'outil. On admet généralement que V_b ne doit pas être supérieur à 0,3 mm.

Pour des opérations de tournage et de perçage, avec des matériaux classiques, nous avons vérifié que la loi de Taylor était vérifiée. Nous avons aussi montré que la rigidité de l'outil joue un rôle essentiel dans le temps de vie.

Le but de ces travaux est de pouvoir manier des CMM_P, renforcés par de grosses particules dures ou très dures (ex. carbure de silicium) avec des outils ordinaires (acier rapide ou carbure de Tungstène). Pour ces matériaux difficiles, nous avons déterminé le plage de vitesse et de profondeur de coupe qui permet un temps de vie acceptable. Un modèle théorique est proposé qui décrit l'influence des paramètres de coupe sur les forces normales et radiales qui s'exercent sur l'outil. L'influence de l'âme est mise en évidence, surtout pour des outils de faibles diamètres (aux environs de 1 mm). Ces résultats seront publiés et appartiennent aujourd'hui au contrat avec Alpha Casting.

1.4 Organisation de colloques internationaux (Publications 2.4.1 et 2.4.3)

Les CMM sont des matériaux nouveaux. La faible utilisation de ces matériaux aux propriétés parfois étonnantes (limite d'élasticité, module d'élasticité, résistance à l'usure, etc. relatives c'est-à-dire par unité de densité) réside dans la résistance au changement et dans la méconnaissance des propriétés globales de ces matériaux. Nous avons organisé, conjointement avec la Conférence des Grandes écoles françaises, des séminaires internationaux qui ont eu lieu, l'un à Montréal (1993) et l'autre à Paris (1995). Les actes de ces colloques après révision par un comité de lecture, ont été publiés par les PUQ en 1995 et les presses de l'École des Mines de Paris en 1997. Ces livres font le point sur la fabrication et les propriétés des CMM.

1.5 Fabrication des CMM_P (Publications 2.1.8, 2.3.20 à 2.3.22)

Après une revue exhaustive des procédés de fabrication des CMM [2.1.8], nous avons développé des technologies de fabrication des CMM_P qui limitent l'usure des brasseurs mécaniques et diminuent le temps passé à haute température à l'état liquide. En effet, le métal liquide réagit avec la particule pour former une interface souvent faible. C'est le cas, par exemple, de la formation du carbure d'aluminium à la surface de particules de carbure de silicium dans une matrice d'aluminium liquide. En limitant le temps d'incorporation des particules avec le liquide, la formation d'interfaces fragiles (du type Al₄C₃) est limitée, ce qui augmente la ténacité du composite. De même, une température du liquide, peu élevée au-dessus du liquidus, diminue la formation des interfaces. Nous avons proposé plusieurs procédés d'incorporation qui respectent les deux énoncés ci-dessus.

2. Autres contributions à la recherche

2.1 Articles dans des revues avec comité de lecture (publiés, sous presse, acceptés pour publication)

1- V. Constantin, L. Scheed, J. Masounave; Sliding behavior of aluminum matrix composite reinforced by SiC particles; accepté à Journal of Tribology (ASME) Avril 1998.

2- S. Maugendre;L. Scheed; J Masounave; Le percage des métaux: prédiction simple des efforts de percage; Accepté à Matériaux & Techniques en Mars 1998.

3- J. Masounave; J.P. Bailon; J.I. Dickson; Les lois de fissuration par fatigue; France; Réedition chapitre de livre; Malvine ed sous presse 1998.

4- S. Fenkam; J. Masounave; Usinage orthogonal en phase quasi-pateuse des métaux et des composites a matrice métallique: influence de la fraction volumique de grosses particules; Matériaux et Techniques; No 9-10; 10pages 1996

5- J. Masounave, N. Villar; ''Revue sur les Procédés de fabrication des Composites à Matrice Métallique à Particules''; ''Techniques de l'Ingénieur'', Janvier 1996; M2 448; pp1-22.

6- E.Morin, J.Masounave, E.Laufer, ''Effect of drill wear on cutting forces in the drilling of metal matrix composites'', Wear 184 (1995) pp 11-16

7- Thomas, M., Beauchamp, Y., Youssef, A.Y., and J. Masounave, Effect on Lathe dry Turning cutting parameters on surface roughness, cutting forces and vibrations, ASME, Journal of Engineering for Industry, 1995, 20 pages.

8- Thomas, M., Beauchamp, Y., Youssef, A.Y., and J. Masounave, Investigation of cutting parameters effects on surface roughness, in lathe dry turning operations by use of a full factorial design, Quality Engineering, 1995, 20 p

2.2 Articles soumis à des revues avec comité de lecture

1- J. Masounave; N. Brodush; L. Scheed; Lepercage des métaux:influence de l'âme. Accepté à Matériaux & Techniques en octobre 1998.

2.3 Autres contributions

1- J. Masounave; T. Wu; Chracterization of MMCp by Eddy Current; accepted to CIM Proceeding on the Int. Symp. on recent Development in Light Metals; Edited by CIM; Calgary August1998

2- J. Masounave, L Scheed, P. Hageneder, A. Lenoir et S. Grenier: Comparaison de la tenue au frottement de differents composites à matrice métallique et revêtements céramiques, Conférences du Cetim à Senlis Matériaux et Revêtements composites pour applications tribologiques, Edité par B. Rigault Publication Cetim dec 1997.

3- J. Masounave; A. Thorel; S. Laurent-Fontaine; Les composites à matrice métallique: une solution qui cherche un problème, un problème qui cherche une solution! Al13 le magazine de l'aluminium; avril 1997; pp 32-43

4- J. Masounave, L Scheed, Resistance à l'usure des composites à matrice métallique renforcés par des particules, Conférences du Cetim à Senlis Matériaux et Revêtements composites pour applications tribologiques, Edité par B. Rigault Publication Cetim dec 1996.

5- L. Scheed, D. Neron, J. Masounave, Machining in semi-liquid phase, Conférence de l’association du génie mécanique du Canada; CSME Forum, Mc Master Hamilton, 7-9 Mai 1996

6- L Pomié, L. Scheed, J. Masounave, Behavior of metallic matrix composite reinforced by large particles in dry friction, CIM Proceeding on the Int. Symp. on recent Development in Light Metals; Edited by M. Gilbert, P. Tremblay and E. Orzbek; Montréal 25-29 August1996, pp607-619

7- L. Scheed, L. Pomié, J. Masounave, Influence of particulates size on wear behavior of Metal Matrix Composite reinforced by silicon carbide particulates (MMCp) for different sliding speeds, Evry, septembre 1995, Colloque international: composite à matrice métallique Edité en Aout 1997, pp 162-169

8- A. Bouza; C Bathias; J. Masounave; Application of the computed tomography to the quantitative reinforcement study of a metal matrix composite; Evry, septembre 1995, Colloque international: composite à matrice métallique Edité en Aout 1997, pp 208-214

9- J. Masounave, L Scheed, Le comportement en usure des composites à matrice métallique, Conférences du Cetim à Senlis Matériaux et Revêtements composites pour applications tribologiques, Edité par B. Rigault Publication Cetim 13 dec 1995 17-31.

10- L. Scheed, J. Masounave, Machining in Quasi-Solid State (MQSS) of MMC, International Conference of Enercomp 95, 10 May 1995, Montréal, Proceeding edited by Technomic Publishing; pp 586-593

11- A. Bouza, C. Bathias, J. Masounave, Application of the computed Tomography to the Quantitative Reinforcement Study of a Metal Matrix Composite, International Conference of Enercomp 95, 10 May 1995, Montréal, Proceedings edited by Technomic Publishing;

12-Thomas, M., Beauchamp, Y., Youssef, A.Y., and J. Masounave, Effect of tools vibrations on surface roughness, during lathe dry turning process, 18th Int. Conf. on Computers and Industrial Engineering, Shangai, Chine, Oct. 1995, 8 pages.

2.4 Publications sans comité de lecture :

1- Thorel, A., Masounave, J., Suéry, M., rédacteurs, ''Intérêts technologiques et marchés potentiels des composites à matrice méraliique'', actes du congrès franco-canadien de septembre 1995, Presses de l’École des Mines, Paris, 1997.

2- L. Scheed, D. Neron, J. Masounave, Machining in semi-liquid phase, Conférence de l’association du génie mécanique du Canada; CSME Forum, Mc Master Hamilton, 7-9 Mai 1996.

3- Masounave, J., Thorel, A., rédacteurs, ''Les composites à matrice métallique – Une synthèse'', Presses de l’École des Mines, Paris, 1995.