Soutenance mémoire
Les augets faisant l’objet de notre travail sont des moules métalliques qui travaillent des conditions de températures assez élevées. Ils reçoivent du métal liquide à 1400°C-1350°C. Une fois refroidit ce métal coulé se refroidit et donne des gueuses en fonte destinées pour la chaine de production en aval. Dans les fonderies où il est produit, il est coulé en sable, puis fini, avant d’être livré au client. Sa mise en service le soumet donc à une exploitation périodique consistant en un échauffement rapide lorsque le métal liquide est introduit suivi d’un refroidissement plus ou moins assez lents. Avant d’être utilisés les augets sont enduits de chaux. Ce chaulage permet une protection de l’effet de la chaleur comme il assure aussi d’éviter le collage du liquide avec l’auget. L’alternance des régimes thermiques auxquels l’auget est soumis crée dans l’épaisseur du matériau des gradients de températures des fois assez importants. Ceci engendre des contraintes d’origine thermique qui, à l’image des contraintes mécaniques, provoquent à leur tour vu les valeurs qu’elles peuvent atteindre des fissurations dans le matériau. Ces fissures peuvent entrainer une rupture totale, ce qui cause des pertes financières assez importantes pour l’exploitant. Notre étude consiste à examiner le matériau et l’auget dans son état livré par le fournisseur, et de mener une approche métallurgique avec des cycles thermiques pour constater ce que le matériau développe lors des alternances cycliques lorsqu’il est exploité. A cet effet nous avons retenus types de cycles où les températures sont plus élevées. Selon que l’auget est chaulé ou non la température à sa paroi interne sera différente ; si elle est assez élevée elle pourra être à l’origine de forts gradients thermiques, et alors il faut savoir l’abaisser autant que cela est possible. Dans ce sens, avec les variations structurales observées avec les traitements choisis, on pourra déduire si le chaulage est soigneusement réalisé. L’estimation des contraintes thermiques comparée aux valeurs obtenues expérimentalement nous permettra d’apprécier le comportement du matériau lorsqu’il est exploité 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 c’est une fonte blanche, due présence du carbone chimiquement lié qui forme un carbure très rencontré dans les alliages ferreux et qu’on appelle la cémentite. Ce carbure de fer ou cémentite a la formule chimique Fe3C. La fonte blanche contient donc la cémentite qui est un carbure de Fe: elle est dure, donc fragile, mais a une bonne tenue à l’abrasion et à l’érosion; elle est difficile à usiner, [2]. Pour l’obtenir l’alliage doit contenir des éléments qui favorisent la formation du carbone chimiquement lié comme le Mn et assurer à la pièce une vitesse de refroidissement assez grande pourque son refroidissement s’effectue dans le système métastable fer-cémentite.
-Une fracture de couleur grise est propre à la fonte grise. Cette couleur provient du C libre ou graphite. Elle contient à la place de la cémentite du graphite. Sa dureté est moins élevée que celle de la blanche, donc elle est moins fragile, elle a une bonne usinabilité. La présence de C libre lui assure un coefficient de frottement peu élevé. Avec ceci elle absorbe les vibrations. On peut l’obtenir en favorisant un refroidissement assez long et en introduisant des éléments graphitisants comme le silicium. Liquide, elle s’écoule bien et de ce fait elle constitue un bon alliage de fonderie. Elle se refroidit dans le système stable fer-graphite.
Système stable, système métastable
La différence entre les deux systèmes est la teneur limite à 6,67% de Fe3C dans le système non stable alors qu’elle est de 100% C dans le stable. Les points caractéristiques sont déplacés vers le haut et à droite ou à gauche selon le système considéré : par exemple le point eutectique E2 est à 4,3% C à 1148°C alors que E’2 indique 4,25% Fe3C pour 1153°C. sous certaines conditions bien définies, une fonte malléable ou une fonte à graphite sphéroïdal. Et la fonte malléable activée thermiquement (recuite) peut donner une fonte malléable à cœur blanc ou à cœur noir ferritique. Inoculée au Mg la fonte grise donne une fonte à graphite sphéroidal qui peut être ferritique ou encore perlitique si la fin du refroidissement n’est pas assez lente. Si la fin du refroidissement est assez lente la fonte grise peut évoluer en fonte malléable à cœur noir perlitique ou en fonte grise à graphite lamellaire. Aussi une fonte malléable provenant d’une fonte blanche quand elle subit un recuit graphitisant et une fin de refroidissement pas assez lente donne une fonte malléable à cœur noir perlitique. Tout ceci montre la complexité et la variété des fontes rencontrées dans le commerce. On peut les classer d’après les constituants microstructuraux. Selon la proportion de perlite ou de ferrite contenue dans la matrice une fonte peut être aussi bien perlitique que ferritique ou encore ferrito perlitique. La forme du graphite lui donne le nom de fonte grise lamellaire ou sphéroïdale. Selon les cas on peut avoir la malléable à cœur noir ferritique ou la malléable à cœur noir perlitique.
Propriétés et rôle des constituants
Les constituants qui entrent dans la matrice d’une fonte permettent déjà une classification, mais aussi donnent au matériau certaines propriétés qui les rendent plus ou moins utilisables pour une application donnée.
La ferrite
La ferrite est une solution solide du C dans le fer alpha. Les propriétés de la ferrite dépendent de la taille du grain mais aussi de la nature et de la quantité des éléments présents. Le tableau 1 montre que l’introduction du Si dans la ferrite améliore nettement les caractéristiques mécaniques. L’influence des autres éléments sur la dureté et la résistance de la ferrite apparaissent sur les figures 2 et 3. On voit que le Be, le Si, le Ti, et le Mn augmente considérablement la résistance à la traction bien qu’ils soient introduit en petites quantités. L’effet du Mo, du W, ou du Ni sur cette propriétés est moins sensible. Le Cr et le Co est moindre. La dureté est améliorée surtout par le P, le Cu, le Si, et le Mn. Elle est moins sensible au Ni, Mo, V, W, et Cr. L’influence du silicium peut être masquée par celle du graphite. Afin de tenir compte de l’effet du C et du Si des relations comme celle du carbone équivalent permettent de d’avoir la structure développée en fonction de la composition chimique .
La cémentite
Etant un carbure, sa caractéristique essentielle est sa dureté très élevée (de l’ordre de 700 à 800 HB). Celle-ci peut être augmentée par addition d’éléments spéciaux tels que le chrome qui entre en solution dans le carbure de type M3C, une cémentite alliée. En effet, quand on ajoute un élément spécial à une fonte blanche, celle-ci durcit, mais l’augmentation de dureté globale résulte plutôt du durcissement de la matrice que de l’augmentation de dureté des carbures euxmêmes. Non seulement le durcissement provient de l’existence des carbures mais aussi des éléments dissouts qui engendrent le durcissement de la matrice.
La perlite
C’est un mélange de cémentite et de ferrite disposée en lamelles plus la distance entre lamelle est faible et plus dure est la perlite. Sa dureté Brinell varie entre 200 et 300. Les caractéristiques mécaniques de la perlite dépendent avant tout de sa finesse. Des relations empiriques peuvent montrer la liaison de la finesse à la dureté: HB = 80/∆0 , où HB est la dureté Brinell, ∆0 (en m) est la distance entre deux lamelles consécutives de cémentite. Comme cette distance varie entre 0,26 et 0,38 la dureté sera de 300 dans les structures très fines à 200 dans les structures grossières. Cet espacement ∆0 détermine les principales caractéristiques d’une perlite exempte d’éléments en solution dans la ferrite ou la cémentite. Dans le cas des fontes, même non alliées, il existe toujours des éléments 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 relâchement et sa ferritisation.
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Table des matières
INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I-LES FONTES
I-1. Fontes blanche, fonte grise
I-1-1. Système stable, système métastable
I-1-2. Propriétés et rôle 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. Phénomènes constates pendant le service des augets
I-4.1.1. Échauffement des augets
I-4.1.2. Modifications de structure et gonflement
I-5. L’OXYDATION
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 porosité 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. Caractéristiques mécaniques
I-12.2. Coefficient de dilatation thermique
I-12.3. Conductivité thermique
II. DESCRIPTION DU PROBLEME ET METHODOLOGIE
II.1.Description du problème
II.2.Méthodologie de travail
II.2.1. Cycles approchant les conditions pratiques
II.2.2. Partie théorique
II.2.2.1. Etablissement du modèle théorique
II.2.2. 2. Choix des paramètres de calcul
II.2.2.3. Détermination des températures d’interface
II.2.2.4. Evolution du module d’élasticité et du coefficient de dilatation en fonction de la température
III. RESULTATS ET ANALYSE
III.1. Caractérisation du matériau dans son état de réception
III.2. Effet de la température de reprise entre cycles
III.3. Caractérisation du matériau soumis aux cycles thermiques
III.4. Résultats du tracé de la contrainte thermique
III.5. Observations fractographiques
IV- CONCLUSION GENERALE
V- REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
