Faculté des sciences de base SB, Section de physique, SB - Section de physique SB-SPH

Al-Cu-Fe quasicrystalline coatings and composites studied by mechanical spectroscopy

Fikar, Jan ; Schaller, Robert (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2707.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    Mechanical spectroscopy measurements were performed on two types of materials: decagonal quasicrystalline Al-Cu-Fe-Cr coatings deposited on a mild steel substrate and aluminium or magnesium matrix composites reinforced with icosahedral quasicrystalline Al-Cu-Fe particles. The internal friction spectra of the substrate with three different thicknesses of the coating indicate that the internal friction of such composites is mostly caused by the quasicrystalline coating and that the contributions of the steel substrate and of the interface are small. The shear modulus measured in torsion increases with temperature, while the Young's modulus measured in flexion behaves normally. This shear modulus anomaly is interpreted as due to a solid friction between cracked segments of the quasicrystalline coating. This phenomenon can also explain the broad athermal maximum, which was found to occur in isochronal internal friction measurements. A quantitative model successfully reproducing the observed behaviour was developed. Finally, the reversible high-temperature exponential background was interpreted as due to the onset of the brittle-to-ductile transition, which may be associated with dislocation motion controlled by collective phason flips in the quasicrystalline coating. The measured activation enthalpy is similar to the value that was deduced from compression tests performed on icosahedral Al-Cu-Fe bulk material. Aluminium or magnesium matrix composites reinforced with icosahedral Al-Cu-Fe particles were processed by gas pressure infiltration and characterised by X-ray diffractometry, electron microscopy observations, micro-hardness measurements, and compression tests. The internal friction spectra of these composites also show a high-temperature exponential background, while measurements of the matrix alone or of the matrix with Al2O3 short fibres exhibit a different behaviour. The difference can be explained by a partial phase transformation of the matrix due to the presence of the quasicrystalline particles. The exponential background is probably caused by dislocation motion in the matrix, however, the effect of the quasicrystalline reinforcement can be neither excluded nor confirmed with certainty.
    Résumé
    Des mesures de spectroscopie mécanique ont été effectuées dans deux types de matériaux. D'une part, dans des couches de quasicristaux décagonaux Al-Cu-Fe-Cr déposées sur acier doux, d'autre part dans des composites à matrice d'aluminium ou de magnésium renforcés par des particules quasicristallines icosaédriques Al-Cu-Fe. Les mesures de frottement interne du substrat d'acier avec trois épaisseurs différentes de couches indiquent que le frottement interne d'un tel composite est localisé à l'intérieur de la couche quasicristalline. Les contributions dues au substrat et à l'interface sont minimes. Le module de cisaillement mesuré en torsion augmente avec la température, tandis que le module de Young mesuré en flexion se comporte normalement. Cette anomalie du module de cisaillement est causée par le frottement sec entre les sections fissurées de la couche quasicristalline. Ce phénomène permet également d'expliquer le large maximum athermique qui est observé lors des mesures de frottement interne en fonction de la température. Un modèle quantitatif reproduisant avec succès le comportement observé est développé. Finalement, le fond exponentiel réversible à haute température est interprété comme le début de la transition fragile-ductile qui peut être associée aux mouvements de dislocations contrôlés par des sauts collectifs de phasons dans la couche quasicristalline. L'enthalpie d'activation mesurée correspond parfaitement à la valeur déduite des essais de compression effectués sur le Al-Cu-Fe. Des composites à matrice d'aluminium ou de magnésium renforcés par des particules Al-Cu-Fe ont été élaborés par infiltration sous pression gazeuse, et caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique, mesures de micro-dureté, ainsi que par des essais de compression. Les spectres de frottement interne des composites présentent également un fond exponentiel à haute température, contrairement aux mesures effectuées sur la matrice seule ou renforcée par de courtes fibres d'Al2O3, qui présentent un comportement différent. Cette différence peut être expliquée par une transformation de phase partielle de la matrice due à la présence des particules quasicristallines. Le fond exponentiel est probablement provoqué par le mouvement des dislocations dans la matrice, mais le rapport avec le renfort quasicristallin ne peut être ni exclu ni confirmé avec certitude.