Les augets faisant lโobjet de notre travail sont des moules mรฉtalliques qui travaillent des conditions de tempรฉratures assez รฉlevรฉes. Ils reรงoivent du mรฉtal liquide ร 1400ยฐC-1350ยฐC. Une fois refroidit ce mรฉtal coulรฉ se refroidit et donne des gueuses en fonte destinรฉes pour la chaine de production en aval. Dans les fonderies oรน il est produit, il est coulรฉ en sable, puis fini, avant dโรชtre livrรฉ au client. Sa mise en service le soumet donc ร une exploitation pรฉriodique consistant en un รฉchauffement rapide lorsque le mรฉtal liquide est introduit suivi dโun refroidissement plus ou moins assez lents. Avant dโรชtre utilisรฉs les augets sont enduits de chaux. Ce chaulage permet une protection de lโeffet de la chaleur comme il assure aussi dโรฉviter le collage du liquide avec lโauget. Lโalternance des rรฉgimes thermiques auxquels lโauget est soumis crรฉe dans lโรฉpaisseur du matรฉriau des gradients de tempรฉratures des fois assez importants. Ceci engendre des contraintes dโorigine thermique qui, ร lโimage des contraintes mรฉcaniques, provoquent ร leur tour vu les valeurs quโelles peuvent atteindre des fissurations dans le matรฉriau. Ces fissures peuvent entrainer une rupture totale, ce qui cause des pertes financiรจres assez importantes pour lโexploitant. Notre รฉtude consiste ร examiner le matรฉriau et lโauget dans son รฉtat livrรฉ par le fournisseur, et de mener une approche mรฉtallurgique avec des cycles thermiques pour constater ce que le matรฉriau dรฉveloppe lors des alternances cycliques lorsquโil est exploitรฉ. A cet effet nous avons retenus types de cycles oรน les tempรฉratures sont plus รฉlevรฉes. Selon que lโauget est chaulรฉ ou non la tempรฉrature ร sa paroi interne sera diffรฉrente ; si elle est assez รฉlevรฉe elle pourra รชtre ร lโorigine de forts gradients thermiques, et alors il faut savoir lโabaisser autant que cela est possible. Dans ce sens, avec les variations structurales observรฉes avec les traitements choisis, on pourra dรฉduire si le chaulage est soigneusement rรฉalisรฉ. Lโestimation des contraintes thermiques comparรฉe aux valeurs obtenues expรฉrimentalement nous permettra dโapprรฉcier le comportement du matรฉriau lorsquโil est exploitรฉ dans ces conditions .
Fontes blanche, fonte grise
Selon la fracture on peut observer une cassure blanche ou une cassure grise.
-Une fracture de couleur blanche indique que cโest une fonte blanche, due prรฉsence du carbone chimiquement liรฉ qui forme un carbure trรจs rencontrรฉ dans les alliages ferreux et quโon appelle la cรฉmentite. Ce carbure de fer ou cรฉmentite a la formule chimique Fe3C. La fonte blanche contient donc la cรฉmentite qui est un carbure de Fe: elle est dure, donc fragile, mais a une bonne tenue ร lโabrasion et ร lโรฉrosion; elle est difficile ร usiner, [2]. Pour lโobtenir lโalliage doit contenir des รฉlรฉments qui favorisent la formation du carbone chimiquement liรฉ comme le Mn et assurer ร la piรจce une vitesse de refroidissement assez grande pourque son refroidissement sโeffectue dans le systรจme mรฉtastable fer-cรฉmentite.
-Une fracture de couleur grise est propre ร la fonte grise. Cette couleur provient du C libre ou graphite. Elle contient ร la place de la cรฉmentite du graphite. Sa duretรฉ est moins รฉlevรฉe que celle de la blanche, donc elle est moins fragile, elle a une bonne usinabilitรฉ. La prรฉsence de C libre lui assure un coefficient de frottement peu รฉlevรฉ. Avec ceci elle absorbe les vibrations. On peut lโobtenir en favorisant un refroidissement assez long et en introduisant des รฉlรฉments graphitisants comme le silicium. Liquide, elle sโรฉcoule bien et de ce fait elle constitue un bon alliage de fonderie. Elle se refroidit dans le systรจme stable fer-graphite.
Systรจme stable, systรจme mรฉtastable
La diffรฉrence entre les deux systรจmes est la teneur limite ร 6,67% de Fe3C dans le systรจme non stable alors quโelle est de 100% C dans le stable. Les points caractรฉristiques sont dรฉplacรฉs vers le haut et ร droite ou ร gauche selon le systรจme considรฉrรฉ : par exemple le point eutectique E2 est ร 4,3% C ร 1148ยฐC alors que Eโ2 indique 4,25% Fe3C pour 1153ยฐC.ย sous certaines conditions bien dรฉfinies, une fonte mallรฉable ou une fonte ร graphite sphรฉroรฏdal. Et la fonte mallรฉable activรฉe thermiquement (recuite) peut donner une fonte mallรฉable ร cลur blanc ou ร cลur noir ferritique. Inoculรฉe au Mg la fonte grise donne une fonte ร graphite sphรฉroidal qui peut รชtre ferritique ou encore perlitique si la fin du refroidissement nโest pas assez lente. Si la fin du refroidissement est assez lente la fonte grise peut รฉvoluer en fonte mallรฉable ร cลur noir perlitique ou en fonte grise ร graphite lamellaire. Aussi une fonte mallรฉable provenant dโune fonte blanche quand elle subit un recuit graphitisant et une fin de refroidissement pas assez lente donne une fonte mallรฉable ร cลur noir perlitique. Tout ceci montre la complexitรฉ et la variรฉtรฉ des fontes rencontrรฉes dans le commerce. On peut les classer dโaprรจs les constituants microstructuraux. Selon la proportion de perlite ou de ferrite contenue dans la matrice une fonte peut รชtre aussi bien perlitique que ferritique ou encore ferrito perlitique. La forme du graphite lui donne le nom de fonte grise lamellaire ou sphรฉroรฏdale. Selon les cas on peut avoir la mallรฉable ร cลur noir ferritique ou la mallรฉable ร cลur noir perlitique.
Propriรฉtรฉs et rรดle des constituants
Les constituants qui entrent dans la matrice dโune fonte permettent dรฉjร une classification, mais aussi donnent au matรฉriau certaines propriรฉtรฉs qui les rendent plus ou moins utilisables pour une application donnรฉe.
La ferrite
La ferrite est une solution solide du C dans le fer alpha. Les propriรฉtรฉs de la ferrite dรฉpendent de la taille du grain mais aussi de la nature et de la quantitรฉ des รฉlรฉments prรฉsents. Le tableau 1 montre que lโintroduction du Si dans la ferrite amรฉliore nettement les caractรฉristiques mรฉcaniques. Lโinfluence des autres รฉlรฉments sur la duretรฉ et la rรฉsistance de la ferrite apparaissent sur les figures 2 et 3. On voit que le Be, le Si, le Ti, et le Mn augmente considรฉrablement la rรฉsistance ร la traction bien quโils soient introduit en petites quantitรฉs. Lโeffet du Mo, du W, ou du Ni sur cette propriรฉtรฉs est moins sensible. Le Cr et le Co est moindre. La duretรฉ est amรฉliorรฉe surtout par le P, le Cu, le Si, et le Mn. Elle est moins sensible au Ni, Mo, V, W, et Cr. Lโinfluence du silicium peut รชtre masquรฉe par celle du graphite. Afin de tenir compte de lโeffet du C et du Si des relations comme celle du carbone รฉquivalent permettent de dโavoir la structure dรฉveloppรฉe en fonction de la composition chimique .
La cรฉmentite
Etant un carbure, sa caractรฉristique essentielle est sa duretรฉ trรจs รฉlevรฉe (de lโordre de 700 ร 800 HB). Celle-ci peut รชtre augmentรฉe par addition dโรฉlรฉments spรฉciaux tels que le chrome qui entre en solution dans le carbure de type M3C, une cรฉmentite alliรฉe. En effet, quand on ajoute un รฉlรฉment spรฉcial ร une fonte blanche, celle-ci durcit, mais lโaugmentation de duretรฉ globale rรฉsulte plutรดt du durcissement de la matrice que de lโaugmentation de duretรฉ des carbures euxmรชmes. Non seulement le durcissement provient de lโexistence des carbures mais aussi des รฉlรฉments dissouts qui engendrent le durcissement de la matrice.
La perlite
Cโest un mรฉlange de cรฉmentite et de ferrite disposรฉe en lamelles plus la distance entre lamelle est faible et plus dure est la perlite. Sa duretรฉ Brinell varie entre 200 et 300. Les caractรฉristiques mรฉcaniques de la perlite dรฉpendent avant tout de sa finesse. Des relations empiriques peuvent montrer la liaison de la finesse ร la duretรฉ: HB = 80/โ0 , oรน HB est la duretรฉ Brinell, โ0 (en m) est la distance entre deux lamelles consรฉcutives de cรฉmentite. Comme cette distance varie entre 0,26 et 0,38 la duretรฉ sera de 300 dans les structures trรจs fines ร 200 dans les structures grossiรจres. Cet espacement โ0 dรฉtermine les principales caractรฉristiques dโune perlite exempte dโรฉlรฉments en solution dans la ferrite ou la cรฉmentite. Dans le cas des fontes, mรชme non alliรฉes, il existe toujours des รฉlรฉments en solution dans la matrice perlitique. Le Cu, le Ni, le Cr, le Mo, le V, et le Mn affinent la perlite, tandis que le Si favorise son relรขchement et sa ferritisation.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I-LES FONTES
I-1. Fontes blanche, fonte grise
I-1-1. Systรจme stable, systรจme mรฉtastable
I-1-2. Propriรฉtรฉs et rรดle des constituants
I-1-2-1. La ferrite
I-1-2-4. Le graphite
I-1-2-5. Les formes de graphite
I-2.COMPORTEMENT DES PIECES SOUMISES AUX CHOCS THERMIQUES
I-3. ROLE DES ELEMENTS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE
I-4. EXPLOITATION DES AUGETS ET DES LINGOTIERES
I-4.1. Phรฉnomรจnes constates pendant le service des augets
I-4.1.1. รchauffement des augets
I-4.1.2. Modifications de structure et gonflement
I-5. LโOXYDATION
I-6. CONTRAINTES THERMIQUES
I-7. TRACE DES LINGOTIERES
I-8. INFLUENCE DE LA CHALEUR SUR LA STRUCTURE DES FONTES
I-9. DEFAUTS ET ANOMALIES
I-9.1. La porositรฉ du gaz
I-9.2. Les pores de retrait
I-10. SOLIDIFICATION DES METAUX FERREUX
I-10.1. Solidification d’une fonte grise hypoeutectique
I-10.2. Interface de solidification
I-10.3. Surfusion thermique
I-10.4. Surfusion de constitution
I-10.5. Les cellules eutectiques
I-11. FATIGUE THERMIQUE ET PHENOMENE DE FISSURATION
I-11.1. Propagation des fissures
I-12. CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET PHYSIQUES DES FONTES GRISES
I-12.1. Caractรฉristiques mรฉcaniques
I-12.2. Coefficient de dilatation thermique
I-12.3. Conductivitรฉ thermique
II. DESCRIPTION DU PROBLEME ET METHODOLOGIE
II.1.Description du problรจme
II.2.Mรฉthodologie de travail
II.2.1. Cycles approchant les conditions pratiques
II.2.2. Partie thรฉorique
II.2.2.1. Etablissement du modรจle thรฉorique
II.2.2. 2. Choix des paramรจtres de calcul
II.2.2.3. Dรฉtermination des tempรฉratures dโinterface
II.2.2.4. Evolution du module dโรฉlasticitรฉ et du coefficient de dilatation en fonction de la tempรฉrature
III. RESULTATS ET ANALYSE
III.1. Caractรฉrisation du matรฉriau dans son รฉtat de rรฉception
III.2. Effet de la tempรฉrature de reprise entre cycles
III.3. Caractรฉrisation du matรฉriau soumis aux cycles thermiques
III.4. Rรฉsultats du tracรฉ de la contrainte thermique
III.5. Observations fractographiques
IV- CONCLUSION GENERALE
V- REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES