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UFR des sciences et techniques
Masters Energie 1ére Année
Parcours EFEMO
Année universitaire 2019-2O20
Rapport de stage :
Télescopes, turbulences atmosphériques
Et optique adaptative
Mouhamadou moustapha LO
Stage effectué du 25 avril au 14 JUIN 2019 Au
laboratoire GPM
Tuteur professionnelle :
Tuteur pédagogique :
1
Monsieur Xavier sauvage
Remerciement
Avant tout d’abord, je remercie monsieur Denis LEDUE enseignant chercheur à l’université de Rouen de
m’avoir aidé de trouver ce stage. Ensuite je remercie monsieur pascal Boubert enseignant chercheur à
l’université de Rouen de m’avoir aidé sur les recherches de stage et aussi de faire un bon cv et lettre de
motivation.
Je remercie aussi monsieur Xavier sauvage directeur de recherche au laboratoire GPM de m’avoir
proposé ce stage, je le remercie également de m’avoir encadré durant ce stage, de me faire découvrir
beaucoup de chose, de m’avoir guidé a préparé mes échantillons, le temps que je l’ai pris pour des
explications, de m’avoir aidé dans la rédaction de mon rapport et aussi dans la réalisation des
expériences.
Je remercie aussi monsieur Philipe PAREIGE directeur de GPM de m’avoir laisser faire ce stage au sein
du GPM
2
Sommaire
I. Introduction
II. Etude et propriétés des télescopes
II.1) Etude d’un Télescope
II.2) Effet de la diffraction sur les performances du télescope
III. la turbulence
III.1) Effet de la turbulence atmosphérique sur les télescopes
III.1.a) Turbulence atmosphérique et l’indice de réfraction
III.1.b) Effet des turbulences atmosphérique sur la forme d’un front d’onde et sur l’image d’une
Étoile
IV.) utilisation de l’optique adaptative
IV.1) Principe de fonctionnement
IV.2) Analyseur de surface d’onde : interféromètre par dédoublement latéral
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes
3
I. Introduction
Lieu du Stage
Le Laboratoire CORIA « complexe de recherche interprofessionnel en
aérothermochimie » est une unité mixte de recherche (UMR) rattachée à
l’Institut d’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) du CNRS, université
de Rouen Normandie et l’INSA de Rouen Normandie. Le laboratoire
regroupe 172personnes (52chercheurs et enseignant chercheurs,35
ingénieurs Techniciens et administratifs 70 doctorants et 16 postdoctorats et aussi des chercheurs invités et stagiaires de licences
/masters). Les sujets abordés au sein du laboratoire se résument en
trois axes principaux :
 L’écoulements réactifs :
Les activités du département « Ecoulements Réactifs » sont basés sur
la combustion et les plasmas ; en rapport avec l’utilisation de ces
écoulements réactifs par les industries de transformation, de
production d’énergie et de propulsion aéronautique ou terrestre. Dans
cette département les recherches sont base sur trois thèmes à savoir
:
Analyse expérimentale de la combustion : Dans ce groupe les activités
sont regroupées sur quatre axes principaux à savoir la combustions
instansionnaire ensuite stabilisation, instabilités et contrôle de la
combustion et aussi la combustion en milieu dilué et incendie et
enfin diagnostics laser en combustion.
Modélisation et simulation de la combustion : Dans ce groupe les
travaux se résument sur trois axes principaux, à savoir La
détermination des lois de comportements des flammes par analyse
théorique et simulation de problèmes canoniques de combustion ensuite
Le développement de méthodes numériques, d’algorithmique et de
logiciels pour la simulation haute performance de la combustion
turbulente et enfin Le développement de modélisations de sous-maille
pour la simulation aux grandes échelles des écoulements réactifs
turbulents et l’application à l’analyse des flammes turbulentes pour
aider au dimensionnement des systèmes de combustion.
 Turbulence, atomisation, sprays et chaos :
Les travaux du département sont basés sur la mécanique des écoulements
et systèmes complexes traitant des instabilités, de la turbulence, du
mélange. Ils font d’autre part usage de techniques d’investigations
s’inscrivant dans les mêmes compétences scientifiques comme par
exemple la physique non linéaire, l’analyse statistique ou la
description multi-échelle des phénomènes. Ce département est divisé en
4
trois groupes à savoir, la turbulence et mélange ensuite atomisation
et sprays et enfin la dynamique biomédicale.
 Optique et lasers
Dans ce département leurs recherche sont basés sur tous les problèmes
d’interaction entre la lumière et la matière macroscopique diluée.
Leurs objectifs sont de développer des outils analytiques et
numériques permettant de calculer les caractéristiques de cette
interaction et aussi de concevoir des techniques de diagnostic
innovantes ou de perfectionner les techniques actuellement existantes
permettant de mesurer les propriétés des objets étudiés. Ce
département est divisé en deux groupes l’un qui travaille sur les
sources laser et diagnostics en milieux denses et l’autre sur
l’interaction laser/particules.
CONTEXTE
Le brouillage dû à la turbulence atmosphérique à un effet sur les
télescopes terrestre. Ces turbulences provoquent une fluctuation
rapide de l’éclat lumineux des étoiles qui enchante les poètes mais
perturbent les astronomes car il brouille les détails subtils des
images. Pour observer les astres au télescope les images obtenues
subissent une forte dégradation dû au fait que les astres émissent la
lumière qui traverse l’atmosphère et cette dernière est composée
masse d’air ayant chacune sa propre vitesse de déplacement. En effet
se phénomène se manifeste par une variation spontanée et aléatoire de
densité et donc d’indice de réfraction de l’air. Ce pendant on
observe des différences phase aléatoires qui a pour conséquences la
déformation des fronts d’onde et donc d’image obtenue. Toutefois, les
perturbations dû à la turbulence atmosphérique peuvent être corrigée
grâce à l’optique adaptative qui permet d'observer le ciel en
s'affranchissant des perturbations liées aux turbulences de
l'atmosphère de telle sorte que ces dernières fournissent des images
qui sont théoriquement aussi précises que possible, c’est à dire se
rapprochant des conditions spatiales. Les systèmes d’optique
adaptative fonctionnent grâce à des miroirs déformables contrôlés par
ordinateur qui neutralisent les distorsions provoquées par les
turbulences atmosphériques. Le principe repose sur des corrections
optiques en temps réel calculées à une très grande vitesse (plusieurs
centaines de fois par seconde) à partir de données d’image obtenues
par un détecteur de front d’ondes qui contrôle la lumière à partir
d’une étoile de référence. Ce pendant nous voulons étudier les
caractéristiques des télescopes ensuite montrons comment l’éclat
lumineux des étoiles dû à la turbulence atmosphérique peuvent
perturbées les télescopes terrestres enfin de voir comment avec les
techniques de l’optique l’adaptative cette perturbation majeure peut
être corrigée.
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Mission
Ma mission dans ce stage est de faire une recherche bibliographique
sur les Télescopes, turbulences atmosphériques et optique adaptative.
Pour cela nous allons procédés comme suit :
Tout d’abord nous allons étudier les caractéristiques d’un télescope
en donnant les différents types de télescopes qui existe et comparer
les caractéristiques d’un miroir sphérique simple et celle d’un
télescope et aussi Effet de la diffraction sur les performances du
télescope, ensuite nous allons aborder la turbulence en essayant de
la définir et aussi de montrer l’effet de la turbulence atmosphérique
sur les télescopes et enfin de donner les techniques de l’optique
l’adaptative pouvons nous considérer pour pouvoir corriger ces
perturbations..
II. Etude et propriétés des télescopes
Télescope vient du mots grec (tele signifiant « loin » et skopein
signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique, il
utilise une formule optique qui, par la forme et la disposition des
miroirs, cherche à obtenir des images de la meilleure qualité
possible, permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille
apparente des objets à observer. Le télescope est un système
réflecteur, il est constitué de deux miroirs un miroir primaire dont
la lumière des astres est recueillie par ce miroir qui a une forme le
plus souvent parabolique situe au fond du tube, celui-ci réfléchit
cette lumière en direction d’un miroir secondaire, situé au centre du
tube et cette dernière passe à travers d’un oculaire placé dans la
porte oculaire pour former une image.
1.
Les éléments constrictifs d’un télescope
Les principales composantes d’un télescope sont : l’objectif,
l’oculaire et la monture qui sont les éléments les plus important
dans un télescope.
Objectif
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Dans un télescope l’objectif est un miroir concave dont la face
réfléchissante est située en avant, de sorte que la lumière ne
traverse pas le verre qui sert uniquement de support à une pellicule
d’aluminium de quelques centièmes de micromètres.la lumière étant
simplement réfléchie et non réfractée, l’achromatisme est total. En
effet la lumière qui arrive est focalisée en un point foyer image
dont le faisceau convergent peut être renvoyé vers un oculaire à
l’aide d’un second miroir pour former l’image de l’objet observe. Il
est lies à la plus importante propriété d’un télescope qui est le
diamètre de l’ouverture. Le diamètre du tube est en effet la
caractéristique principale qui détermine la capacité du télescope à
récolter de la lumière, et donc à observer dans de meilleures
conditions et à obtenir une bonne qualité d’image. Le diamètre du
tube détermine en grande partie le pouvoir de résolution et la clarté
du télescope.
F
M
H
S
M
H
M
H
Directrice
Figure 2 : Exemple d’un miroir parabolique
Pour un télescope l’image obtenue dépend des propriétés du miroir, plus
qu’il est de bonne qualité plus le point focal est ponctuel. En effet
tous les rayons lumineux qui arrivent converge en ce point foyer. Si
la surface optique comporte des défauts, le front d’onde qui arrive
sur cette surface va subir des déphasages et par conséquence le
trajet des rayons lumineux sera modifié et aussi par conséquence
l’image sera déformée. Une parabole est définie mathématiquement par
une droite directrice et un foyer, tel que pour tout point M de la
parabole et un point de la directrice on a : d(FM)=d(HM) (voir
figure2).
Oculaire
Il s’agit du composant de l’appareil qui permet d’effectuer un
grossissement de l’image, une fois celle-ci est constituée au niveau
du foyer image. Il est possible de remplacer l’oculaire de son
7
télescope pour augmenter ou bien diminuer le grossissement. La mise
au point se fait en réglant la distance entre l’objectif et
l’oculaire. Dans un télescope ’il est possible de faire coïncider le
foyer image du miroir primaire avec le foyer objet de l’oculaire,
mais aussi il est possible de changer les oculaires dans un
télescope, ce qui permet de modifier les caractéristiques de
l’instrument. Ils sont constitués de lentilles qui introduisent des
défauts sur l’image résultante d’un système optiques plus ou moins
bien corrigées selon les modèles. Le plus courant est aujourd’hui
l’oculaire de Plossl, les oculaires de Huygens et de Ramsden composés
de deux lentilles sont aujourd’hui abandonnés.
Figure2 : Exemple des oculaires
https://fr.wikipedia.org/wiki/Télescope
Monture
Il existe deux types de monture : la monture
azimutale et équatoriale
La monture est un l’élément mobile qui permet de bouger et orienter
un télescope. Choisir une monture dépend de ce que vous comptez faire
avec votre télescope. On trouve donc la monture azimutale basique qui
permet un mouvement vertical et horizontal du tube et qui est adaptée
pour l’observation terrestre, moins adaptée à l’observation du ciel
et inutile si vous comptez faire de l’astrophotographie. La monture
équatoriale par contre est destinée à l’astronomie, donc parfaitement
adaptée à l’observation du ciel profond et à l’astrophotographie.
D’ailleurs, elle n’est pas adaptée pour l’observation terrestre.
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Ayant la capacité de suivre le mouvement de la rotation terrestre, la
monture équatoriale permet de bien faire le repérage et le suivi des
astres. Elle est très flexible et offre un grand confort
d’utilisation. Vous pouvez choisir la monture équipée d’un flexible
pour une commande manuelle, mais simple ou celle équipée d’un moteur
électronique pour une commande autonome sans intervention de votre
part. Il existe aussi des montures Alt azimutales, moins connues que
les deux types précédents. Il s’agit en effet de monture à la fois
azimutale et équatoriale, constituée donc d’axe vertical et d’axe
horizontal, mais aussi de moteurs pour permettre le suivi des astres.
On la retrouve souvent sur les télescopes astronomiques haut de gamme
comme le télescope Schmidt-Cassegrain et pour des diamètres élevés
(plus de 200mm).
Pour choisir un télescope et entamer votre aventure de l’observation
du ciel, il est important de bien connaître les éléments qui composent
un télescope et toutes ses caractéristiques. Cependant il existe
plusieurs types de télescope et chacun a ces caractéristiques qui les
détermine.
2. Les différents types de télescopes
On distingue deux types de télescopes : les télescopes réflecteurs et
les télescopes
Catadioptrique.
a. Les télescopes réflecteurs
Ce sont des télescopes constitue d’un miroir primaire permettant de
recueillir et concentrer la lumière, ce miroir a été conçu de tel sorte
qu’elle a une forme parabolique car les rayons lumineux produisent par
les célestes arrivent
Sur la terre sous forme parallèles et grâce a sa forme parabolique
elle concentre tous les rayons lumineux en un point central appelé
point foyer. Elle est la plus utiliser sur les recherches
scientifiques et aussi par la plupart des grands amateurs
d’astronomie car ils présentent beaucoup d’avantage par rapport aux
lunettes astronomiques. Cependant il existe deux principaux types de
télescopes réflecteurs : le télescope de Newton et le télescope de
Cassegrain.
Le télescope de type Newton
Il porte le nom de son inventeur il a été créé par Issac Newman. Ce
type de télescope est constitue deux miroir un miroir primaire qui a
la forme parabolique et une secondaire plan.il est utilisé par
beaucoup de monde a cause de son prie abordable. Tous cette
caractéristique repose sur le miroir secondaire, incliné à 45°qui peut
être décliné sur autre type de télescope. Il permet renvoyer l’image
former sur le point focal à 90° de l’axe optique prés de l’ouverture
du tube, ce qui rend la position d’observation plus confortable. Les miroirs paraboliques
9
génèrent une aberration optique, elle déforme les étoiles en bord de champ, ce qui réduit le
champ utile.
Figure 1 :
Exemple Schéma du télescope de type Newman
Le télescope de type Cassegrain
En 1672 laurent Cassegrain a inventé ce télescope qui porte son nom
qui est un télescope réflecteur qui est constitué de deux miroir un
miroir primaire concave qui est percé à son centre et qui a la forme
parabolique convergent et un miroir secondaire convexe hyperbolique
divergent. Dans ce type de télescope l’image se forme derrière l’appareil, alors que pour ceux
de Newman l’image elle se forme sur le côté du tube. Il présente des aberrations identiques que le
newton à l’ouverture, cependant théoriquement il présente des limites sur le champ de netteté.
Mais néanmoins ce type de télescope sera peut ouvert et en pratique cela ne génère pas des
limites sur la netteté de l’image.
10
https://www.astrofiles.net/astronomie-les-differentstypes-de-telescopes-44.html
b. Les télescopes Catadioptrique
Les télescopes catadioptriques est constitué de deux miroir comme la
et construction du réflecteur et aussi des lentilles qui joue le rôle
d’un réfracteur. Dans ce type de télescope l’image obtenue est
constituée de mélange de réfraction et réflexion. Les télescopes
catadioptriques les plus connue sont : le télescope de Schmidt- Cassegrain, Maksutov -Cassegrain
et le télescope de Ritchey-chrétien.
Le télescope Schmidt-Cassegrain
Ce type de télescope est constitué de miroir primaire sphérique associe à une lame de Schmidt
qui est une lentille qui permet de corriger l’aberration de sphéricité. Il fournit des images nettes
et très lumineuses sur la quasi-totalité du champ. Mais en raison de la difficulté à concevoir les
lames de Schmidt celui-ci présente des inconvenant très couteux.
Télescope de type Schmidt-Cassegrain
Le télescope Maksutov -Cassegrain
Le télescope de Maksutov-Schmidt c’est une autre version de Cassegrain qui est correctement
corrigé. Pour ce type de télescope le primaire est concave sphérique et le secondaire est convexe
sphérique, l’aberration étant corrigés par une lentille concave plus épaisse sur les bords (un
ménisque correcteur en avant du tube optique). Ce type de télescope offre des images très piqué
et le plus souvent de bonne qualité.il présente des avantages pour les industries sur la fabrication
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grâce à ces miroirs sphériques qui sont facilement réalisables par des machines et avec des
résultats homogènes et ce qui n’est pas le cas toujours avec les autres télescopes.
Schéma du télescope de Maksutov -Cassegrain et la représentation des deux miroirs
ttps://www.bing.com/images/search?view=detailV2&ccid=ZYHkzsyC&id=2EE8CCDE689216EB
98C534A327BDFB16202C206E&thid=OIP.ZYHkzsyCk0NCBH3oW5kt7AHaGL&mediaurl=https%
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=344&q=schema+du+t%c3%a9lescope+de+maksutov+cassegrain&simid=607999251006099202&ck=82C1D0E01D9CB305DE1144076B577006&selec
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Le télescope Ritchey-chrétien
Il a été créer vers 1910, ce type de télescope est constitue de deux miroir un primaire et un
Secondaire qui sont hyperboliques, mais ce dernier présente des aberrations. Grâce à ces qualités,
il est la plus utilisée dans les observatoires professionnels moderne, il est généralement associé à
un correcteur de champ en quartz plus ou moins complexe afin de corriger les aberrations
résiduelles.
Schéma d’un télescope de Ritchey-chrétien.
https://www.bing.com/images/search?view=detailV2&ccid=94OzkjpZ&id=9C38222A20BDE4E5
DCE9252793C2A43C9E216F5A&thid=OIP.94OzkjpZlafchCzlXcYHQHaDI&mediaurl=https%3a%2f%2fastrobackyard.com%2fwpcontent%2fuploads%2f2018%2f04%2fritchey-chretientelescopedesign.jpg&exph=254&expw=600&q=le+t%c3%a9lescope+de+ritcheychr%c3%a9tien.&simid=607998022627822052&ck=AAAF1C66305D6BD37178D9A05F502E46
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II.1)
Caractéristiques du télescope
Les caractéristiques d’un télescope dépendent principalement de sa
distance focale, le diamètre du miroir, le pourcentage d’obstruction
et un grossissement G=f/foc (foc= est la focale de l’oculaire). En
effet dans un télescope plus le diamètre du miroir est grand plus la
lumière collecte par ce télescope est important, par conséquence on
pourra se permettre de grossir sans perdre en quantité d’image.
Toutefois si la distance focale est grande plus aussi le
grossissement est grand donc on a une image plus grande mais moins
lumineuse car la lumière sera stockée sur une plus grande surface. Ce
pendant si la distance focale est petite implique aussi un faible
grossissement et l’image sera plus petite et plus lumineuse car la
lumière sera stockée sur une petite surface. Mais il est possible de
prévoir ce qu’on peut observer grâce au critère f/D. Par exemple si
on voulait observer une planète, la luminosité est très grande, donc
on peut grossir et utiliser un matériel dont le critère f/D est
grand. Cependant Si on voulait observer une nébuleuse qui diffuse une
faible luminosité, dans ce cas il faut éviter d’avoir un fort
grossissement
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Figure 3 : structures cubiques à face centré [3]
c. Le cuivre
Le cuivre est un élément chimique de numéro atomique 29 et de symbole Cu. Dans les CNTP il a la
forme d’un solide de structure cubique à face centré (fig3). La température de fusion est de 1084°C
et sa température d’ébullition est de 2562°C. Il est le meilleur conducteur d’électricité (59,6 10-6sm-1)
et de conducteur de chaleur après l’argent. C’est un métal malléable et ductile, sa présence moyenne
sur la terre est de55g par tonne et dans l’organisme humaine est de 1à 10 milligramme par kg.
d. Caractéristique de l’alliage cuivre-Argent
L’argent (Ag), qui est un élément avec des propriétés de conduction électrique et mécanique
intéressantes, mais le plus souvent rejetées par les industries en raison de son coût élevé. En
remplaçant une partie des atomes d’argent par un métal moins cher, il est possible de produire un
14
nouveau matériau ayant des propriétés proches de celle de l’argent à moindre coût comme le cas de
l’alliage cuivre-argent. Les alliage cuivre-argent ont une résistance beaucoup plus élevée que celle
prévue par les règles du mélange habituel et attirent beaucoup d’attention au cours de ces deux
dernières décennies à cause de sa haute conductivité et sa haute résistance. Les caractéristiques des
alliages Cu-Ag à faible teneur en Ag dépendent principalement du précipité de Ag. L’augmentation de
la résistance et de la conductivité est due au fait que les précipités Ag agissent comme un obstacle au
mouvement de dislocation. Le diagramme de phase nous permet de comprendre l’alliage
cuivreargent avec ces différentes phases et aussi nous permet de savoir la température qu’on devrait
choisir pour homogénéiser la solution et faire un traitement de précipitation afin augmenter les
propriétés mécaniques du matériau.
Etude de diagramme de phase
Figure 4 : Diagramme de phase de l’alliage cuivre-argent [4, a]
15
Comme écrivait Manon Bonvallet dans sa thèse intitulée ‘’Chemins cinétiques de précipitation dans
les solides’’ : « Le système Cu-Ag est un système à fort désaccord paramétrique puisque les deux
phases pures en Ag et pure en Cu ont un écart à la cohérence de 12,5%. Le diagramme de phase
de l’alliage Cu-Ag est simple, c’est celui d’un eutectique sans formation de phase intermétallique.
Les phases riches en Ag et riche en Cu obtenues après précipitation sont de même structure
cristallographique : cubique à faces centrées. » [4, b]
L’alliage étudié ici contient 5% Ag comme indiqué sur le diagramme de phase. Dans ce diagramme à
gauche on a une phase solide, l’argent est le solvant et le cuivre le soluté, en effet si on augmente le
pourcentage de cuivre dans la solution, le cuivre devient naturellement le solvant et l’argent le
soluté. Dans la zone hachurée on retrouve deux phases coexistant cuivre de structure cubique à faces
centrées et argent cubique à faces centrées, du côté riche en cuivre on obtient généralement de la
précipitation discontinue qui est caractérisée par une structure laminaire.
Il est aussi important de noter qu’à haute température (800°C) on a une seule phase tout l’argent en
solution solide et à basse température (600°C par exemple) deux phases coexistent le cuivre est
appauvri en argent et des précipités d’argent peuvent germer.
III. Techniques expérimentales
a. Tronçonnage
Le tronçonnage est un mécanisme qui consiste à couper un échantillon dans le matériau étudié le
plus doucement possible. Au cours de ce procédé la structure du matériau ne doit pas changer, c’est
pourquoi le choix du disque de coupe est important, car il permet que l’échantillon ne surchauffe pas
et par conséquent ne se déforme pas et conserve ses propriétés initiales. b. Enrobage
L’enrobage (à chaud ou à froid) d'échantillon est une méthode qui permet de limiter les effets de
bords pour certains échantillons très fins au cours du polissage et aussi de faciliter les mesures de
dureté. Il est aussi nécessaire de choisir une résine sera adaptée à la dureté du matériau à polir afin
de rendre possible l’examen microscopique de l’échantillon.
c. Polissage
Le polissage est l'étape la plus importante de la métallographie. En effet on cherche à observer des
détails de l’ordre d’un micromètre, donc il faut bien polir la surface pour que les rayures puis
disparaitre le maximum possible afin obtenir une surface lisse et Brillante. C’est pour cette raison il
est donc nécessaire de faire le polissage dans toute analyse de détails microscopiques de métaux
puisqu’il permet de supprimer les rayures ou défauts résiduels lors du tronçonnage de métaux.
De plus, il est aussi utilisé lorsque l'on veut faire un essai de Micro dureté ..
Pour le polissage mécanique, on utilise successivement des papiers avec des particules abrasives. En
effet on commence par des papiers « à gros grain », puis on passe successivement à des papiers à
grains plus fins.
16
d. Laminage
Le laminage permet de réduire l’épaisseur d’un échantillon métallique par déformation plastique. Ce
procédé de déformation peut être appliqué à différents matériaux comme les métaux ou tout autre
matériau sous forme pâteuse . Ce laminoir exerce une compression continue par le passage du
matériau entre deux cylindres. Ces cylindres sont groupés en paires et tournent en sens contraire
pour permettre au matériau d’être entrainé. Ce procédé est utilisé industriellement pour obtenir des
produits plats ou cannelés. Les vitesses de sortie peuvent atteindre 90km/h pour les tôles.
Avant de commencer il faut régler la position des deux cylindres du laminoir l’un par rapport à
l’autre, on regarde si la distance entre les deux cylindres est environ égale à l’épaisseur de
l’échantillon à laminer si ce n’est pas le cas on le règle grâce à un système d’engrenages du laminoir.
Après on rapproche les deux cylindres de 0,5 mm, puis on présente ensuite l’échantillon à laminer
devant les deux cylindres pour commencer.
17
Figure 5 : Laminoir utilisé dans ce stage
e. Traitement thermique
Le Traitement thermique est une procédure de transformation de la structure du matériau grâce à
des cycles de chauffage et de refroidissement afin de contrôler la microstructure et donc les
propriétés des alliage métalliques. L’alliage Cu-Ag a une solubilité partielle dans les CNTP, elle
augmente généralement avec la température. Pour augmenter la dureté de notre matériau il est
nécessaire de le chauffer à une haute température(800°C) sous l’effet d’un gaz inerte (argon) pour
empêcher l’oxydation de l’argent pendant 2h et on refroidit rapidement par trempe dans l’eau pour
que tout l’argent reste en solution au lieu de précipiter et pour augmenter aussi la dureté. Après
avoir homogénéisé notre alliage et coupé un échantillon, on passe à un traitement thermique de
précipitation pour le reste du matériau. Pour cela nous avons chauffé notre alliage encore sous l’effet
d’un gaz inerte (argon) à 440°C pendant 2 heure pour obtenir des précipitations comme le montre
dans notre diagramme des phases qu’au-dessous de la température de 600°C on obtient une solution
biphasée caractérisé par des précipitations d’argent. Ensuite on refroidit par trempe dans l’eau.
f. Test de dureté
La dureté est la capacité à un matériau de résister à une pénétration. Pour notre expérience on a la
machine de micro dureté qui utilise des charges inférieures ou égales à 1kg pour tester notre
matériau. Pour cela, on mesure la dureté grâce à la pénétration d’un poinçon dans la surface polie du
matériau considéré. Dans notre cas, on fait des tests de Vickers, c’est-à-dire que le poinçon est une
pointe pyramidale en diamant.
Pour nos mesures, nous avons réglé notre charge de 300 g, qui est suffisante pour observer aisément
l’empreinte laissée par le poinçon sur la surface. On calcul la dureté à partir de la formule suivante :
Hv= 1,8544× P∕d2
Avec :
P :la charge exercée par le micro dureté sur la surface de l’échantillon en (kg)
. Hv : la dureté (kg/mm) d : la
moyenne des diagonale en (mm)
Figure 6 : emprunte de dureté [5]
Chaque test de dureté est répété sur un même échantillon au moins 6 fois enfin d’obtenir une bonne
statistique. Pour éviter l’influence du premier test sur la deuxième on doit espacer les mesures.
18
III. Dureté 1.Expérience a. L’alliage cuivre-argent
homogénéiser
La première étape de notre expérience consiste à laminer une barre de l’alliage Cu-Ag avec 5 %
d’argent d’épaisseur 12mm afin d’obtenir un échantillon de 8mm d’épaisseur, ensuite on fait un
traitement à 800°C pour homogénéiser (mise en solution de l’argent) et on a prélevé un échantillon
pour faire un test de dureté pour différents taux de réduction par laminage. La procédure de
déformation et prise d’échantillon est mise sous forme de tableau voire annexe 2
b. Cuivre-Argent précipités
Après avoir homogénéisé et coupé un échantillon, le reste du matériau est passé à un traitement
thermique de précipitation pendant 2h sous l’effet de l’argon. Ensuite on lamine avec différents taux
de réduction et ensuite on teste la dureté des échantillons après laminage. La procédure de
déformation et prise d’échantillon est mise sous forme de tableau voir annexe 3
c.Cuivre pur
Pour le cuivre la première étape consiste à laminer une barre de cuivre d’épaisseur 10mm afin
d’obtenir une épaisseur de 8mm, ensuite on fait un traitement de précipitation pendant 2h à 350°C
puis on lamine à différents taux de réduction et on teste la dureté des différents d’échantillons après
laminage. La procédure de déformation et prise d’échantillon est mise sous forme de tableau voir
annexe 4
2. Résultats
Après avoir poli et enrobé certains échantillons les tests de dureté ont été répétés pour chaque
échantillon au moins 6 fois pour afin d’obtenir une bonne statistique.
a. Cuivre-Argent homogénéiser
Une série de test dureté sur les échantillons obtenus après laminage nous permet de dresser un
tableau de dureté en fonction de la déformation et en fonction du taux de réduction en pourcentage
et aussi tracer une courbe d’évolution de la dureté en fonction de la déformation.
Épaisseur en
(mm)
Déformation
Dureté en (kg m)
Taux de Réduction en
𝑒0−𝑒𝑓
𝑒0
pourcentage £=
n= ln ( )
𝑒
8
0
90±9
0
2
1,39
163,5±16
75%
1
2,07
181±18
88%
19
×100
𝑒0
0,8
2,3
190,33±19
90%
0,5
2,77
196±19
94%
Figure 7 : Tableau représentative de la dureté de Cu-5%Ag homogénéiser en fonction de la
déformation
Dureté en fonction de la déformation
250
200
150
Dureté
100
50
0
0
0,5
1
Déformation
1,5
2
2,5
3
Figure 8 : Courbe évolution de la dureté de Cu-5%Ag homogénéiser en fonction de la
déformation
Interprétation
Sur la figure 8, on observe que la dureté croit avec la déformation en laminage avant déformation,
elle vaut 90kg/mm pour atteindre 202kg/mm pour une déformation n=2,77, mais au-dessus de n=2,3
on observe une saturation. Cette augmentation est due au fait que on a des interactions entre les
atomes d’argent et les dislocations et plus qu’on déforme on augmente la densité de dislocation ce
qui augmente la dureté. Mais arrivé à un moment les dislocations ne peuvent plus augmenter on
parle de saturation.
b.
Cuivre-Argent précipité
Le tableau ci-dessous représente les mesures de dureté Cu-5%Ag précipité à différents taux de
déformation par laminage et de taux de réduction cumulé en pourcentage
Épaisseur
en (mm)
Déformation
𝑒
n= ln ( 0)
𝑒
20
Dureté (Hv en
kg/mm)
Taux de réduction−𝑒𝑓
cumulé
×100
en
𝑒0
𝑒0 pourcentage
£=
7,8
0
102±10
0%
5,9
0,28
130±13
24%
4,12
0,64
141±14
47%
2,9
0,99
150±15
63%
2
1,36
172±17
74%
1,07
1,99
174±17
86%
0,8
2,27
187±18
90%
0,5
2,75
204±20
94%
0,25
3,44
228±22
98%
Figure 9 : Tableau de mesure de dureté Cu-5%Ag à différents taux de déformation par
laminage
dureté
300
250
200
150
100
50
0
0
0,5
1
1,5
déformation
2
2, 5
3
3,5
4
Figure 10 : courbe représentative de la dureté Cu5%Ag précipité en fonction de la
déformation par laminage
21
Interprétation
Sur la figure10, on observe que la dureté croit très rapidement avec la déformation par laminage
avant déformation, elle vaut environ 102kg/m pour atteindre environ 228kg/m. Mais cette
augmentation est plus importante par rapport Cu-Ag homogénéisé car on a Cu-Ag avec des
précipitations lamellaires avec la présence des interfaces cuivre et argent qui interagissent avec les
dislocations et empêche son mouvement. Donc quand on lamine les interfaces augmentent avec la
déformation ce qui augmente la dureté et pas de saturation
2.Cuivre pur
Le tableau ci-dessous représente les mesures de dureté Cuivre précipité à différents taux de
déformation par laminage.
Épaisseur
(mm)
Déformation
𝑒
n= ln ( 0)
Dureté Hv
en (kg/mm)
Taux de réduction−𝑒𝑓
×100
en
𝑒0
𝑒0 pourcentage
£=
𝑒
8
0
88,4±8
0%
6
0,29
107,9±10
25%
4
0,69
115,4±11
50%
2
1,39
116,8±11
75%
0,28
3,35
118,5±11
96,5%
Figure 11 : Tableau représentative de la dureté de cuivre à différents taux de déformation par
laminage
22
Dureté Hv (kg/mm) du cuivre en fonction de la déformation
Dureté Hv en (kg/mm)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
deformation
Figure 12 : courbe représentative de la dureté du cuivre en fonction de la déformation par
laminage
Interprétation
Sur la figure 13, on observe que la courbe croit nettement jusqu’à une déformation de n=0,69 et
stabilise au-dessus de cette valeur. Au cours de la déformation, la densité de dislocation augmente ce
qui augmente la dureté mais pour une certaine déformation il y’a saturation, les dislocations se
gênent entre eux.
3.CONCLUSION
Sur la figure 14, on constate que la dureté de l’alliage Cu-Ag est largement supérieur à celle du cuivre
sauf au début. On voit que l’énergie fournie pour déformer les alliage-cuivre argent est plus grand
que celle du cuivre pur. Cela est due à un fort affinement de la microstructure et une forte
interaction entre les interfaces cuivre/ argent et les dislocations.
23
Figure 13 : les courbes représentatives de l’évolution de la dureté du cuivre et les alliages
Cu5%Ag en fonction de la déformation par laminage
Ces résultats nous montrent pour le Cu-Ag homogénéisé on n’a pu déformer plus, donc on ne peut
pas conclure sur l’effet de la précipitation.
Conclusion générale
Notre stage nous permet de comprendre, effet de laminage sur le comportement mécanique de
l’alliage cuivre-Argent et aussi pour augmenter la dureté de l’alliage Cu-Ag la méthode expérimentale
que nous devrons aborder.
Du point de vue mécanique, l’augmentation de la dureté est due à un fort affinement de la
microstructure et aussi l’augmentation des interfaces Cu/Ag par laminage qui bloquent les
dislocations empêche son mouvement. L’alliage Cu-Ag est très ductile, donc il est possible de le
déformer jusqu’à obtenir une microstructure très fine environ 0,1mm pour augmenter les interface
Cu-Ag et avoir une dureté beaucoup plus importante, mais ce n’est pas possible avec la déformation
par laminage qui a des limites. Pour une certaine déformation le passage de l’échantillon au laminoir
n’a aucun effet sur le comportement mécanique de l’échantillon, car pour certaines épaisseurs les
cylindres du laminoir très rapprochés commencent à se toucher. Contrairement à la déformation par
tréfilage des chercheurs ont montré qu’on peut obtenir des structures beaucoup plus fines, donc une
24
dureté beaucoup plus importante. Comme le montre la figure 15 (3Hv~ бe (contrainte) d’après la loi
de tabor)
1600
1400
1200
1000
coube d'évolution de la
contrainte en fonction de la
déformation par laminage
800
600
courbe d'evolution de la
contraine en fonction de la
déformation par tréfilage
400
200
0
0
2
4
6
8
Déformation
Figure14 : courbes d’évolution du UTS de Cu-6%Ag en fonction des déformations [1] par
tréfilage et L’évolution de la 3Hv de Cu-5%Ag en fonction de la déformation par laminage
En comparant la courbe d’évolution de UTS en fonction de la déformation par tréfilage à courbe
d’évolution de 3Hv en fonction de la déformation par laminage on voit qu’on est un peu en dessous
Mais cela peut être due au fait on n’a pas les mêmes pourcentages d’argent mais aussi on n’a pas pu
déformer de plus.
Résumé
The copper-silver alloy is an alloy that has interesting electrical and mechanical properties, but to
increase these properties studies have been conducted to conclude that the increase in these
properties mainly depends on the Ag content. Some have used wire drawing. To deform their
material and we used rolling to do it. For that we took a pure copper bar of thickness 10mm for the
laminate up to a thickness of 8mm, then to make a precipitation treatment at 350 ° C for 2h, then to
test the hardness at different rates deformation by Rolling. After taking a Cu-5% Ag 12mm sample, it
25
is rolled up to 8mm thick and then a homogenizing heat treatment is carried out at 800 ° C for 2h and
cooled by quenching in water, then a sample cut and tested its hardness at different rates of
deformation by rolling. Finally, the rest of the material was subjected to a precipitation treatment at
440 ° C for 2h, then cooled by quenching in water and tested its hardness at different rates of
deformation, in order to compare the rolling effect on hardness of each sample. After the
experiments the results showed that the Cu-5% Ag alloy has a much greater hardness than the pure
copper, but we can not conclude on the effect of the precipitation because we could not deform
more. However, the effect of rolling at limits, for some thicknesses it has no effect on the mechanical
behavior of the sample but also it can not deform the sample unlike a deformation by wire drawing
which can distort up to at a very thin thickness about 0.1mm. So we can conclude that to increase the
hardness of our alloy by deformation, it is preferable to use wire drawing because it allows to obtain
thinner structures for a greater hardness.
Bibliographie :
[1] : Article de : Guohuan Bao, Yuqing Xu, Liuyi Huang, Xiaopei Lu, Lei Zhang, Youtong
Fang, Liang Meng et Jiabin Liu (2016) intitulée « Le renforcement de l'effet de Ag
précipités dans les alliages de Cu-Ag : une approche quantitative », Materials Research
Letters, à la page 39
Pour créer un lien vers cet article: http://dx.doi.org/10.1080/21663831.2015.1091795
Publier en 2015 par Taylor & Francis et publier en ligne le 16 octobre 2015
[2] :https://www.google.com/search?q=structure+cubique+face+centr%C3%A9e&rlz=1C1CHBF_frFR
847FR847&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=nTBq0FbIFc615M%253A%252C63QGPKZwMEY7M%252C%252Fm%252F0nbdb2k&vet=1&usg=CAI4_kQpauw860tGXPrX1nIYTKuF6CUnQ&sa=X&ved=2ahUKEwjwg8bN7sniAhXsAmMBHXGpDwUQ_B0wE3
oECAkQAw&biw=204 9&bih=937#imgrc=nTBq0FbIFc615M:
26
[3] :https://www.google.com/search?q=tableau+p%C3%A9riodique&rlz=1C1CHBF_frFR847FR847&tb
m=isch&source=iu&ictx=1&fir=6ixuFOqt23606M%253A%252CfvRIZb0O9EN3M%252C%252Fm%252F05rbs&vet=1&usg=AI4_kSt55vXfTFCDgj9VVqdV4HUYo8SnQ&sa=X&ved=2ahUKEwjt9qSW78niAhWT8uAKHUMaCmUQ_B0wG
3oECAUQAw&biw=2049&bih=937#imgrc=Nnwro9NPfXuy6M:&vet=1
[4] : Thèse de Manon Bonvillet intituler « chemins cinétique de précipitation dans les solides
» soutenue le 22 octobre 2015
[4, a] : page 95
[4, b] : page 94
https://www.google.com/search?q=structure+cubique+face+centr%C3%A9e&rlz=1C1CHBF_frFR847F
R847&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=nTBq0FbIFc615M%253A%252C63QGPKZwMEY7M%252C%252Fm%252F0nbdb2k&vet=1&usg=CAI4_kQpauw860tGXPrX1nIYTKuF6CUnQ&sa=X&ved=2ahUKEwjwg8bN7sniAhXsAmMBHXGpDwUQ_B0wE3
oECAkQAw&biw=204 9&bih=937#imgrc=nTBq0FbIFc615M:
[5] : https://www.struers.com/fr-FR/Knowledge/Hardness-testing/Vickers#vickers-how-to
[6] : Matériaux 2. Microstructures et procédés de mise en œuvre 4e édition de Michael F. Ashby David
R.H. Jones
Annexes :
Annexe 1 : Tableau de procédure de laminage et de prise de l’échantillon pour Cu-Ag
homogénéiser
Épaisseur(mm)
Nbre de
passage
Réduction en
pourcentage cumulés
Échantillon(mm)
8mm
8
0
0
5
1
38%
3,8
2
53%
3,6
3
55%
3,3
4
59%
3,1
5
61%
2,9
6
64%
2,6
7
68%
27
2,5
8
69%
2,3
9
71%
2,1
10
74%
2
11
75%
1,5
12
81%
2mm
1,25
13
84%
1,20
14
85%
1,09
15
86%
1
16
88%
1mm
0,8
17
90%
0,8mm
0,65
18
92%
0,5
19
94%
0,5mm
Annexe 2 : tableau des mesures de dureté pour chaque échantillon de Cu-Ag homogénéiser
Distance
entre les
mesures
(mm)
Dureté
Épaisseur
8mm
2mm
1mm
0,8mm
0,5mm
1
83
181
170
194
204
2
90
161
192
186
203
3
70,9
158
172
192
184
4
70,1
153
191
196
195
5
99
166
180
193
196
6
101
168
186
7
100
166
179
8
98
157
175
9
91
161
185
28
187
10
97
164
180
Moyenne
90
163,5
181
190
196
Annexe 3: Tableau des mesures de dureté pour chaque échantillon de Cu-Ag homogénéiser
et précipiter
Distance
entre les
mesures
(mm)
Dureté (kg/mm)
Épaisseur
7,8
5,9
4,12
2,9
2
1,07
0,8
0,5
0,25
1
99
130
152
171
186
160
215
93
211
2
102
114
139
144
165
162
187
190
258
3
110
148
136
145
194
175
175
216
202
4
102
131
144
151
187
183
184
209
227
5
99
125
134
146
151
189
173
211
232
6
96
131
143
148
7
100
227
8
106
251
9
105
229
10
102
233
Moyenne
102
29
130
141
150
172
206
174
187
204
228
Annexe 4 : Tableau des mesures de dureté effectuer sur tous les échantillon
Cuivre
30
31
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