Principes généraux de l’élaboration de l’acier

Principes généraux de l’élaboration de l’acier

Processus de solidification

Le processus de solidification des aciers est réalisé après réduction de minerais en fonte et conversion de cette dernière en acier ou bien directement après la fusion de ferrailles. Après mise à nuance des bains d’acier liquides, ces derniers sont solidifiés en lingotière ou au cours d’un procédé de coulée continue. Nous nous intéresserons principalement à ce second type de procédé de solidification au cours des présents travaux de thèse. La solidification d’un bloom d’acier au cours de la coulée continue progresse depuis sa peau en contact avec la lingotière refroidie. La solidification se propage ensuite vers le centre du bloom  depuis la peau à mesure que ce dernier avance dans la machine de coulée continue.

Ce processus de solidification a pour conséquence la formation d’hétérogénéités de microstructure et de composition observables le long des rayons de la section des blooms solidifiés.

Le premier type d’hétérogénéité est généré par la formation d’un gradient thermique sur le front de solidification. Une première zone localisée en peau est obtenue par le refroidissement rapide de l’acier en contact direct avec les parois de la lingotière. Les grains dans cette zone présentent une microstructure fine et homogène pouvant être qualifiée d’équiaxe. Le gradient thermique entre la peau solidifiée et le cœur liquide contribue à la formation d’une seconde zone qualifiée de colonnaire à mi-rayon des blooms en cours de solidification. Cette seconde zone présente un élancement de la microstructure selon la direction radiale des blooms. Une troisième zone localisée à cœur présente enfin une structure équiaxe. Dans cette zone, la germination de la phase solide et des grains est provoquée en coulée continue par le détachement de dendrites depuis le front de solidification (Wang et al. 2019). Cet effet peut être amplifié sous l’effet de l’adjonction d’une agitation magnétique appliquée au niveau de la zone de solidification du bloom et contribue ainsi à l’augmentation de la partie équiaxe à cœur.

Types de défauts générés 

Outre les hétérogénéités de structure et de composition chimique, le processus de solidification des aciers est également source de défauts. Ces défauts sont de deux natures différentes, les inclusions et les porosités (soufflures et retassures).

➢ Inclusions
La première famille de défauts générés lors de l’élaboration de l’acier est constituée des inclusions. Elles se caractérisent par leur forme (taille, morphologie), leur nature et leur distribution. Les inclusions sont soit générées au cours de la désoxydation du bain d’acier liquide ou lors de la réoxydation au cours du processus de solidification (bain en contact avec l’air extérieur). On parle alors d’inclusions endogènes. Ces inclusions sont de types oxydes et sont formées à partir des éléments contenus dans l’alliage ou formées au cours de la désoxydation (calmage) du bain liquide utilisé (oxydes d’aluminium dans le cadre calmage aluminium par exemple). Le second type d’inclusion est réalisé par le piégeage de laitier ou le détachement d’éléments réfractaires provenant des installations de coulée. On parle alors d’inclusions exogènes.

➢ Soufflures
Les soufflures constituent un des types de porosités générés lors de la solidification des aciers. Elles sont la conséquence de piégeage de gaz au cours de la solidification et sont identifiables par leur dispersion dans le matériau et par leur géométrie sphérique. Les gaz piégés responsables de ces défauts sont soit formés par réaction chimique dans le liquide ou par rejet de gaz dissouts dans le liquide lors de la solidification, la solubilité des gaz étant de façon générale plus faible dans l’acier solide que dans l’acier liquide.

➢ Retassures
Le piégeage final de liquide et le retrait lors de sa solidification sont responsables d’un second type de porosité, les retassures. Ces dernières se forment selon le mécanisme schématisé Figure 1-3 (a).  Compte tenu de leur nature, elles peuvent être considérées comme étant vides et ne présentent pas de couche d’oxyde à leur surface.

Le même type de défaut de porosités et d’hétérogénéités est généré au cours de processus de solidification en lingot ou plus généralement lors de la réalisation de procédés de fonderie.

Méthodes de contrôle

Les analyses de l’impact des différents types de défauts internes sont réalisées à l’aide de plusieurs méthodes d’examens permettant d’obtenir différents degrés de précision sur les dimensions et les morphologies des défauts présents ainsi que leurs localisations dans les éléments analysés. Certaines de ces méthodes nécessitent une destruction de l’échantillon au cours de l’analyse. D’autres méthodes permettent quant à elles un examen non destructif des différents défauts sans avoir à altérer l’intégrité des échantillons permettant ainsi, sous certaines conditions, une analyse d’un défaut au cours des différentes phases d’un processus de mise en forme.

➢ Métallographie
La métallographie consiste dans le cadre de l’analyse des défauts à la réalisation de polissages incrémentaux pour analyser les strates successives d’un échantillon afin de révéler les différents défauts qu’il contient. Cette technique présente l’avantage d’obtenir une représentation directe de la morphologie du défaut avec une précision ne dépendant que du matériel optique mis en œuvre lors des observations et de l’épaisseur des polissages successifs pouvant être réalisés. Elle permet également lors de la révélation d’inclusion d’en déterminer précisément la composition chimique par une analyse de spectrométrie à sélection d’énergie (EDS) par exemple. Cette méthode reste cependant fastidieuse et a pour conséquence une destruction de l’échantillon. De plus, elle nécessite le plus souvent une localisation au préalable des défauts par contrôle non destructif pour affiner la zone de prélèvement des échantillons contenant des défauts permettant ainsi de réduire le temps de préparation des échantillons et de découverte des défauts.

➢ Méthodes par ultrasons
Les analyses par ultrasons sont une méthode non destructive de détection de défaut dans des matériaux massifs. Cette méthode consiste à étudier la propagation d’ondes ultrasonores dans un matériau afin de déterminer la distribution des défauts contenus dans l’échantillon analysé ainsi que leurs dimensions. Les examens réalisés par cette méthode vont dépendre des fréquences d’ultrason émises dans les matériaux. De hautes fréquences sont en effet favorables pour la détection de défauts de petites dimensions mais ont pour conséquence de limiter l’épaisseur de matière pouvant être analysée. Les analyses ultrasonores présentent comme désavantage de ne pas fournir d’information sur la nature des défauts identifiés. Cette méthode ne fait en effet pas la distinction entre les porosités et les inclusions. Elle nécessite ainsi le déploiement d’autres méthodes d’investigation pour déterminer la nature d’un défaut. Les indications dimensionnelles ne permettent également pas de déterminer de manière précise la morphologie des défauts détectés. Seules des indications de volumes équivalents et de dimensions apparentes des défauts sont ainsi accessibles par cette technique (Faini et al. 2018) et permet principalement une évaluation qualitative d’une population de défaut. Enfin, l’état microstructural des échantillons analysés doit être optimisé partraitement thermique pour obtenir une meilleure propagation des ondes ultrasonores permettant  d’affiner la résolution des résultats obtenus.

Table des matières

Introduction générale
1. Etude bibliographique
1.1. Introduction
1.2. Principes généraux de l’élaboration de l’acier
1.2.1. Processus de solidification
1.2.2. Types de défauts générés
1.2.3. Méthodes de contrôle
1.3. Fermetures de porosités : état de l’art
1.3.1. Description du phénomène
1.3.2. Approches expérimentales
1.3.3. Modélisations numériques
1.3.4. Modèles d’évolution de porosités
1.4. Méthodologie expérimentale
1.4.1. Démarche générale
1.4.2. Développement d’un essai représentatif
1.4.3. Mise en place de défauts de type retassures contrôlées
1.5. Conclusions
2. Caractérisation rhéologique d’un matériau brut de coulée
2.1. Introduction
2.2. Etude bibliographique
2.2.1. Modèles de lois de comportement
2.2.2. Généralités sur les essais expérimentaux d’identification
2.2.3. Essai de compression
2.3. Méthode expérimentale
2.3.1. Essai de compression sur plasto-dilatomètre
2.3.2. Cycle de chauffe
2.3.3. Etude des inhomogénéités et des anisotropies de comportement des structures brutes de coulée
2.4. Caractérisation de la nuance 25MnCrS4 brute de coulée continue
2.4.1. Lois identifiées
2.4.2. Validation expérimentale
2.4.3. Influence du modèle rhéologique sur les champs observés
2.5. Conclusion
3. Modèle numérique de l’évolution de porosités
3.1. Introduction
3.2. Modèles numériques
3.2.1. Modèle de l’essai représentatif
3.2.2. Modèle de l’essai de compression sur plasto-dilatomètre
3.3. Méthode de représentation explicite du défaut de porosité
3.3.1. Adaptation des discrétisations volumiques
3.3.2. Intégration de défauts analysés par tomographie
3.3.3. Modélisation de défauts réels par des défauts équivalents
3.4. Résultats Numériques
3.4.1. Gammes de mise en forme étudiées
3.4.2. Evolution de défauts réels
3.4.3. Comparaison défauts réels / défauts équivalents
3.4.4. Vers un modèle en champs moyens
3.5. Conclusion
4. Etude expérimentale de l’évolution de porosités
4.1. Introduction
4.2. Evolution de l’essai représentatif
4.2.1. Intégration de défauts de type retassures contrôlées
4.2.2. Démarche de robotisation de l’essai représentatif
4.3. Résultats expérimentaux
4.3.1. Cas d’étude
4.3.2. Critères d’évaluation de l’évolution de défauts
4.3.3. Résultats expérimentaux
4.4. Confrontation entre expérimentations et simulations
4.4.1. Résultats de comparaison entre expérimentations et simulations
4.4.2. Discussion
4.5. Conclusions
Conclusion générale

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