Soutenance mémoire
Les fontes ADI (Austempered Ductile Irons) constituent une famille de matériaux technologiques qui peuvent être employés avec succès dans beaucoup d’applications. Les excellentes propriétés mécaniques des ADI, en particulier la combinaison favorable de la résistance à la traction, la résistance à l’usure et la ductilité élevée, prédestinent ces fontes pour agir en tant que produits de remplacement pour les matériaux forgés, la fonte malléable, l’acier cémenté et trempé ou comparables à celles de certains aciers à haute résistance. Ces matériaux offrent également un grand potentiel pour les pièces moulées pour des applications impliquant des charges d’impact combinées à l’usure. L’intérêt croissant pour l’étude et le développement des fontes ADI peut être attribué à la combinaison remarquable des propriétés mécaniques résultantes de leurs microstructures. La microstructurede l’ADI peut être affectée par l’addition des éléments d’alliage, par le changement du pourcentage de chaque phase et par la formation de l’austénite non transformée. Ainsi la résistance à la traction et la ductilité des fontes ADI peuvent être changées dans un large éventail pendant le procédé de traitement thermique bainitique. La fonte ADI est donc une occasion de répondre à la demande industrielle croissante du coût et de densité des matériaux. Les avantages sont bien connus et les larges champs des demandes de cette fonte se développent rapidement. Le développement des fontes à graphite sphéroïdal de type ADI est une avancée importante dans la technologie des fontes ductiles. Ces dernières années, en raison de leurs importantes propriétés, elles trouvent aujourd’hui une place prépondérante dans de nombreuses applications (industries mécaniques, industries agricoles…). Les progrès considérables des propriétés mécaniques, produites par les fontes ADI, offrent aux fonderies des possibilités importantes, parmi lesquelles, on trouve le développement d’un marché pour ces fontes, dans lequel les fontes GS classiques ont perdu leur place en raison de leurs faibles propriétés mécaniques. Les fontes GS de type ADI offrent donc des combinaisons exceptionnelles des propriétés mécaniques et de propriétés d’usage en alliant une ductilité élevée, une bonne résistance à l’usure et une masse volumique relativement plus faible que celle des aciers. Ces excellentes propriétés sont le résultat d’un choix des compositions chimiques et des conditions du traitement thermique permettant d’accéder à une large gamme de propriétés et répondant à de nombreuses applications. Cette fonte est obtenue par un traitement thermique spécifique d’une fonte GS. Le principe consiste à appliquer à cette dernière un traitement bainitique. Le but de ce traitement est d’obtenir une microstructure de type bainitique stable avec des caractéristiques mécaniques comparables à celles de certains aciers. Durant ces dernières années, la fonte ADI d’après Florin Serban (Thèse de Doctorat, 2004, Université de Reims Champagne Ardenne) fait l’objet d’études très variées tant sur la théorie de la transformation, que sur les domaines d’application et sur les propriétés mécaniques. Pourtant, il reste des problèmes à étudier, tels que la stabilité thermique et thermomécanique de la structure austénito-ferritique, l’influence des éléments d’alliage sur les propriétés mécaniques, la cinétique de la transformation bainitique, l’influence des paramètres de traitement thermique sur la structure, sur l’état des contraintes résiduelles, etc. Actuellement, les efforts de recherche sur ce nouveau matériau sont principalement concentrés sur des améliorations possibles de ses propriétés mécaniques. C’est dans cette optique que s’inscrit l’objectif de notre recherche qui est l’amélioration des propriétés mécaniques de la fonte GS destinée à la coulée des pièces de tracteurs agricoles tels que têtes d’articulation, pédales de couplage, tendeurs, bielles, etc.
Définition de la fonte ductile à trempe bainitique (ADI)
La fonte ADI (Austempered Ductile Iron), ou fonte ductile à trempe bainitique, est une fonte à graphite sphéroïdale (fonte G.S.) traitée thermiquement qui combine d’excellentes propriétés mécaniques avec des coûts de fabrication relativement faibles. Elle propose une alternative aux ingénieurs en acier et en alliages d’aluminium. Elle est utilisée dans de nombreuses applications dans l’ingénierie automobile, agricole et industrie lourde. Elle est récemment apparue comme un matériau d’ingénierie très important [1-3]. Cette fonte est obtenue par un traitement thermique de type isotherme dans un domaine de température compris entre ceux de la perlite et de la martensite. Le principe consiste à donner à cette dernière un traitement de type bainitique [4, 5]. Le traitement thermique de l’ADI commence par une austénitisation entre 810 et 982 °C (Tγ), où la fonte brut de coulée à matrice ferritique et / ou perlitique se transforme en austénite et s’enrichie en carbone à partir de nodules de graphite [2], suivi d’une trempe étagée généralement entre 250-390°C ou 390- 500°C. Le premier intervalle correspond à une bainite inférieure et le second à une bainite supérieure [6], de façon à garantir une microstructure stable. Ce traitement a pour effet de modifier la microstructure de la fonte de base pour obtenir une matrice de type bainitique (bainite, ausferrite, ferrite bainitique, bainite perlitique, etc.). Ainsi, il permet d’atteindre des propriétés mécaniques comparables à celles de certains aciers à haute résistance . Ces propriétés sont liées à sa microstructure ausferritique [5, 7]. Comme il permet d’obtenir une gamme de matériaux aux propriétés exceptionnelles bien supérieures à celles des fontes G.S. ferrito-perlitique.
Classification des fontes ADI
Les fontes ADI sont classées en deux familles, les fontes ADI inférieures à ausferrite inferieure et les fontes ADI supérieures à ausferrite supérieure qui possèdent des propriétés et des applications bien distinctes [10]. Les fontes ADI inférieures sont caractérisées par une résistance à la traction très élevée (1400- 1600 MPa) liées à un faible allongement (2%), par une résistance à l’usure remarquable et gardent une certaine usinabilité. Leurs applications touchent surtout les engrenages ou les éléments pour la compression ou le grenaillage [10]. Les fontes ADI supérieures ont une résistance à la traction assez élevée (800-1200 MPa) liée à un allongement pouvant atteindre 12 à 15%. Leurs applications sont très diverses, notamment dans le secteur de l’automobile grâce à leur faible densité .
Durant ces dernières années, des travaux de recherche [5, 12, 13, 14, 15] ont prouvés que la structure traditionnelle de la fonte ADI purement ausferritique (ferrite plus austénite) dite conventionnelle, peut être affectée par des problèmes de changement de phases pendant l’usinage. Dans ce cas, l’austénite est mécaniquement instable et se transforme en martensite dans les pièces mécaniques, soumises à des opérations d’usinage, destinées à l’industrie d’automobile et aéronautique [5]. Comme la plupart des composants en fonte ADI dans l’automobile, l’aéronautique et d’autres industries ont besoin des opérations d’usinage, la fonte ADI de structure entièrement ferritique (avec aucune trace d’austénite résiduelle) pourrait réduire les coûts d’usinage de ces composants .
Au cours de ces dernières années, une attention croissante a été accordée au développement d’un nouveau type de fonte ADI , parfois appelée Dual Phase Austempered Ductile Iron « DPADI » ou fonte ductile à trempe bainitique à double phase. La structure de cette fonte se compose de ferrite plus un faible taux de bainite (ausferrite) ou de martensite .
Des études antérieures (Basso et all, 2011) ont montré que l’une des méthodologies possibles pour atteindre la DPADI consiste à soumettre la fonte GS à une trempe bainitique à partir d’une température d’austénitisation partielle [13]. Le diagramme d’équilibre de la fonte ductile peut être représenté par une coupe du diagramme de phase Fe-C-Si (figure 6). Pour les alliages riches en carbone, comme la fonte ductile, la transformation d’austénite en ferrite bainitique lors du refroidissement prend place dans un intervalle de température, parfois désigné sous le nom intervalle intercritique de températures (ITI), dans lequel l’austénite, la ferrite et le graphite coexistent .
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Table des matières
I. INTRODUCTION
II. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
II.1. Définition de la fonte ductile à trempe bainitique (ADI)
II.2. Classification des fontes ADI
II.3. Particularités spécifiques des fontes ADI
II.4. Applications des fontes ADI
II.5. Elaboration des fontes ADI
II.5.1. Elaboration de la fonte GS destinée à L’ADI
II.5.2. Traitement thermique de la fonte GS destinée à l’ADI
III. METHODES EXPERIMENTALES
III.1. Elaboration de la fonte GS alliée et coulée des échantillons
III.2. Traitement thermique
III.3. Métallographie optique
III.4. Microscopie électronique à balayage et Microanalyse X (MEB – EDS)
III.5. Diffraction de rayons X
III.6. Essais mécaniques
IV. RESULTATS ET DISCUSSIONS
IV.1. Métallographie
IV.1.1. Observations au microscope optique
IV.1.2. Observations au MEB
IV.2. Microanalyse X par EDS sur MEB
IV.3. Diffraction des rayons X
IV.4. Microdureté
IV.5. Dureté
IV.6. Traction
IV.7. Résilience
V. CONCLUSION
VI. PERSPICTIVES
VII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
VIII. ANNEXES
