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. 5 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 6 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. 8 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 11 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% 3a%2f%2fastronomia.fr%2f1ere_partie%2finstruments_img%2fmaksutov.gif&exph=287&expw =344&q=schema+du+t%c3%a9lescope+de+maksutov+cassegrain&simid=607999251006099202&ck=82C1D0E01D9CB305DE1144076B577006&selec tedIndex=0&ajaxhist=0 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 12 &selectedIndex=0&ajaxhist=0 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 13 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
