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Solidification - procédés et simulation du moulage 1 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
MISE EN FORME DES MATERIAUX METALLIQUES
FONDERIE ET SIMULATION DU MOULAGE
-- Les diagrammes dLes diagrammes d’é’équilibre de phasesquilibre de phases
-- Les principaux alliages de fonderieLes principaux alliages de fonderie
-- Lois de la solidification des mLois de la solidification des méétaux et alliagestaux et alliages
-- DDééfauts de fonderiefauts de fonderie
-- Les procLes procééddéés de fonderies de fonderie
-- Le contrôle du moulageLe contrôle du moulage
-- la simulation du moulagela simulation du moulage
MASTER MAM
Solidification - procédés et simulation du moulage 2 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
PLAN DU COURSPLAN DU COURS
RAPPELS SUR LES
DIAGRAMMES DE PHASES
Notions de solution solide - alliage
Construction et utilisation des diagrammes de phases
Exemples de diagrammes
SOLIDIFICATION DES
MÉTAUX ET ALLIAGES
Lois de la solidification : germination et croissance
Structures de solidification
LE MOULAGE Procédés de moulage
Contrôle du moulage : systèmes de remplissage et d’alimentation
LES BASES THÉORIQUES
DE LA SIMULATION
Équations de conservation
Méthode numérique
Maillage et discrétisation
Interface et menus
Objet de la simulation
Les étapes de la simulation
Les processus simulés
ESSAIS DE SIMULATION
LOGICIEL DE
SIMULATION « PAM-CAST »
Méthodologie, base de données, paramètres
Essai complet
Influence des paramètres de fonderie
Analyse des résultats
DÉFAUTS DE SOLIDIFICATION Origine des défauts
Remèdes
PRINCIPAUX ALLIAGES DE
FONDERIE
Alliages ferreux : fontes
Alliages non ferreux : base Al, base Mg, base Cu, base Zn
Solidification - procédés et simulation du moulage 3 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
BIBLIOGRAPHIEBIBLIOGRAPHIE
SOLIDIFICATION
M.C FLEMINGS : Solidification processing ‒ Mc Graw Hill 1974
W. KURZ &D.J. FISHER : Fundamentals of solidification, Trans Tech Publications, 1998
F. DURAND : Solidification des alliages, École d été Carry-Le-Rouet Ed de Physique, 1988
G. LESOULT : Solidification, Traité des matériaux métalliques MB1, Techniques de l ingénieur, 2002
W. WINEGARD, Introduction à la solidification des métaux, Dunod, 1971
FONDERIE : PROCÉDÉS ET DÉFAUTS
Gilles DOUR : Fonderie : Alliages, procédés, propriétés, défauts - Aide mémoire - Dunod, 2004
Mise en forme et fonderie, Traité des matériaux métalliques MC1, MC2 et MC3, Techniques de l ingénieur, 2002
Casting , ASM Handbook, vol 15
G. Facy, M. Pompidou : Précis de fonderie ‒ Ed Afnor
Recherche de la qualité des pièces de fonderie, Editions techniques des industries de la fonderie, 1986
H. LEBRETON : Défauts des pièces de fonderie, Eyrolles, 1956
Conception des pièces métalliques moulées, Afnor, 1993
TAYLOR, FLEMINGS ET WULFF : Foundry engineering, 1959
Solidification - procédés et simulation du moulage 4 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMMES D’EQUILIBRE
DES PHASES
Solidification - procédés et simulation du moulage 5 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX
ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION
NOTION DE PHASE
À T > Tfusion
Métal liquide
À T < Tfusion
Germination
du solide
Une phase liquide Coexistence de deux phases
- Une phase liquide
- une phase solide
Germe
Cas d’un métal pur
Solidification - procédés et simulation du moulage 6 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX
Grain ou cristal
ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION
Croissance du solide –Cristal - grain
Poursuite du refroidissement
Croissance du solide
Fin de la solidification
Agrégat de cristaux jointifs
POLYCRISTAL
2 PHASES 2 PHASES
UNE SEULE PHASE SOLIDE
PLUSIEURS CRISTAUX OU GRAINS
Solidification - procédés et simulation du moulage 7 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX
Tous les grains ont même structure cristalline et même composition
Les cristaux se distinguent par leur orientation l’un par rapport à l’autre
Les grains sont séparées par des joints de grains (zones à empilement plus ou moins régulier)
Dimension :
généralement 5 à
100 microns
Solide métallique polycristallin homogène
Solidification - procédés et simulation du moulage 8 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LA STRUCTURE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES
STRUCTURE MICROSCOPIQUE C’est l’arrangement observé à l’échelle du microscope optique
À l’échelle microscopique
Un alliage solide peut se présenter sous la forme de
UNE PHASE
ou de PLUSIEURS PHASES
Cristaux
Grains
Particules
Dendrites
Grains de
fer pur
Acier biphasé
ferrite et cémentite lamellaire
Solidification - procédés et simulation du moulage 9 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LA STRUCTURE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES
CHAQUE PHASE SOLIDE PRÉSENTE UNE CERTAINE MORPHOLOGIE
Exemple : Acier eutectoïde
biphasé : ferrite + carbures
ferrite et cémentite lamellaire ferrite et cémentite globulaire
dendrites, polyèdres, lamelles, sphéroïdes,
lentilles, aiguilles, plaquettes, lattes
Forme
Taille
Répartition
Orientation
Solidification - procédés et simulation du moulage 10 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
NOTION DE SOLUTION SOLIDE
ALLIAGE - ALLIAGE BINAIRE
CONSTITUANT ÉLÉMENTAIRE : Élément simple (C, Fe, Cu)
COMPOSANT : Corps pur chimiquement défini ou élément simple, Fe3C, SiO2, Al2O3
SOLUTION SOLIDE : Dissolution d’atomes du soluté dans le réseau du solvant
Solution
solide
d’insertion
Solution
solide de
substitution
DEFINITIONS
SOLUTION LIQUIDE : Dispersion d’un corps (soluté) dans un autre corps (solvant)
solvant soluté SOLUTION SOLIDE
Solidification - procédés et simulation du moulage 11 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
MISCIBILITÉ ET SOLUBILITÉ
Capacité d’un corps à dissoudre partiellement ou totalement dans un autre corps
Selon les corps
Miscibilité totale
Miscibilité partielle ou limitée
Non miscibilité
Solubilité illimitée
Solubilité limitée
Insoluble
NOTION DE SOLUTION SOLIDE
Solidification - procédés et simulation du moulage 12 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Eau +
Huile
Eau +
Alcool
Eau
+ Sel
Cu - Ni
Cu – Zn33
MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
α
β
α
Cu – Zn40
Cu
Pb
SOLUBILITÉ LIMITÉE
MISCIBILITÉ PARTIELLE
TOTALEMENT
NON MISCIBLES
SOLUBILITÉ ILLIMITÉE
MISCIBILITÉ TOTALE
SOLUTION
LIQUIDE
SOLUTION
SOLIDE
Solidification - procédés et simulation du moulage 13 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Système Cu-Pb (particules de Pb
insolubles)
Structure biphasée du laiton CuZn40
(grains α blancs - grains β noirs)
Limite de solubilité dépassée
Grains de ferrite
Une solution solide
Fe-C (C<0,01%)
Tout le carbone est dissous
dans le fer
MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
Solidification - procédés et simulation du moulage 14 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
MISCIBILITMISCIBILITÉÉ TOTALETOTALE - ÉLÉMENTS SOLUBLES EN TOUTES PROPORTIONS quelque soit la température
Miscibilité - affinité
Règles :
-Taille voisine : ∆r < 15%
-Même structure
-Même valence
MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
Exemple : Alliages cuivre – Nickel
Alliages Nickel - cuivre
Solution liquide
Solution solide Cu-Ni
Une seule phase quelque soit la composition
Mélange liquide+ solide
Température
Composition
Solution solide
Une phase Cu-Ni
Quelque soit la composition
Solidification - procédés et simulation du moulage 15 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
MISCIBILITMISCIBILITÉÉ PARTIELLEPARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ
Solution solide
Phase α (Pb-Sn)
Deux solutions solides
α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb)
MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
Exemple : Alliage Plomb - 10 % étain
1) Saturation du réseau du Pb
2) Rejet de l’élément Sn de la phase solide Pb-Sn
3) Précipitation d’une nouvelle phase Sn-Pb
A température élevée :
La dilatation du réseau du Pb permet à Sn de se substituer au Pb
A température plus basse :
Le réseau du Pb se contracte
Dissolution totale de Sn dans Pb
température
Solidification - procédés et simulation du moulage 16 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
MISCIBILITÉ PARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ
Solution solide
α (Pb-Sn)
Deux solutions solides
α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb)
LIMITE DE SOLUBILITÉ ET TEMPÉRATURE
MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
Exemple : Alliage Plomb-étain
1) Saturation du réseau du solvant
2) Rejet de l’élément en solution
3) Précipitation d’une nouvelle phase
1/ La limite de solubilité augmente avec la température
2/ La courbe de solubilité T-%composition s'appelle SOLVUS
3/ L’ensemble des limites de solubilité et des limite de transformations de phases forme le
diagramme d’équilibre des phases
Solidification - procédés et simulation du moulage 17 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
La constitution de l’alliage
Nature, Composition, Fraction massiqueNature, Composition, Fraction massique
des diffdes difféérentes phasesrentes phases
Température
composition
P
CB
T
Composition massique de
l’alliage AB de masse totale m
BA
B
B
mm
m
C
+
=
1CC AB + =
mmm AB + =
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE
Diagramme
Température – Composition de l’alliage L’état d’équilibre d’un alliage AB
est représenté par son point figuratif « P »
de coordonnées (CB et T)
βα
α
α
mm
m
f
+
=Fraction massique de l’alliage
AB biphasé (α + β)
1ff + =βα
Nature : Identification des phases
[Phase Pb-Sn (α) ou Sn-Pb(β)]
Composition : Quantités relatives des éléments d’alliage
Fraction massique : Quantités relatives des phases
Le diagramme fournit
Solidification - procédés et simulation du moulage 18 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME DE PHASES
DE DEUX CORPS
MUTUELLEMENT SOLUBLES
Cuivre et Nickel
Solidification - procédés et simulation du moulage 19 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
CONSTRUCTION DU DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE
Courbes d’analyse thermique d’alliages cuivre - nickel
Composition
Température
Temps
100 % Cu
0% Ni
40 % Ni
Composition
75 % Ni
0% Cu
100 % Ni
Cu Ni20 40 60 80
1100
1200
1300
1400
1500
Liquidus
Solidus
Solide α
Liquide
Diagramme cuivre - nickel
Solidification - procédés et simulation du moulage 20 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
EXPLOTATION du DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE
1) Pour déterminer la constitution d’un
alliage à une température donnée
(exemple de l’alliage Cu-Ni40 à 1250 °C)
Composition
1250 °C
40%Ni
2) Pour déterminer les étapes du
refroidissement de l’alliage
(exemple de l’alliage Cu-Ni40)
Savoir lire un diagramme
On doit donner :
La nature des phases
La concentration des phases
La proportion des phases
Solidification - procédés et simulation du moulage 21 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
RÈGLE DE L’HORIZONTALE
1) Repérer le point représentatif P (1250 °C- 40%)
2) Tracer la ligne de conjugaison MPN
3) Lire les abscisses de M et N
Phase Liquide CL= 32 % Ni
Phase Solide CS = 45 % Ni
1) La nature des phases1) La nature des phases
Domaine (L+S) : 1 phase liquide et 1 phase solide α
2) La concentration des phases2) La concentration des phases
ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni
%Ni
Température(°C)
A
32 4540
1250 °C
L + α
CL
CS
B
P
Q
Liquidus
M N
C0
L
Solidus
α
CONSTITUTION DE LCONSTITUTION DE L’’ALLIAGEALLIAGE
Solidification - procédés et simulation du moulage 22 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
%Ni
Température(°C)
A
32 4540
1250 °C
L + α
CL
CS
B
P
Q
Liquidus
M
N
C0
L
Solidus
α
RÈGLE DES
SEGMENTS INVERSES LS
0SL
L
CC
CC
m
m
f
−
−
==
LS
L0L
S
CC
CC
m
m
f
−
−
==
MN
MP
fL
=
MN
PN
fS
=
3) La proportion des phases3) La proportion des phases
%5,61100*
3245
3240
fS =
−
−
=
%5,38100*
3245
4045
f L
=
−
−
=
Ainsi, dans 100 g d’alliage, il y a :
61, 5 g d’alliage liquide contenant 32 % de Ni et 68 % de Cu
38,5 g d’alliage solide contenant 45 % de Ni et 55 % de Cu
32% Ni
68% Cu
45% Ni
55% Cu
ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni
Solidification - procédés et simulation du moulage 23 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
(exemple de l’alliage Cu-Ni40)
1
2
3
4
5
100% de liquide
Germination de α à 52 % de Ni
Présence de α à 45 % Ni
Liquide résiduel à 32%Ni
Présence de α à 45 % Ni
Liquide résiduel à 28%Ni
Solide α à 40 % Ni
1
2
3
4
5
ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni
DDÉÉTERMINER LESTERMINER LES ÉÉTAPES DUTAPES DU
REFROIDISSEMENT DE LREFROIDISSEMENT DE L’’ALLIAGEALLIAGE
Solidification - procédés et simulation du moulage 24 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME
EN FUSEAU
(ISOMORPHE)
PARTIELLE
MISCIBILITÉ
PARTIELLETOTALE TOTALE
TOTALE PARTIELLE
DIAGRAMMES
EUTECTIQUE
PÉRITECTIQUE
DIAGRAMMES
MONOTECTIQUE
SYNTECTIQUE
À L'ÉTAT LIQUIDE
À L'ÉTAT SOLIDE
DIAGRAMMES D’ÉQUILIBRE BINAIRE
Les différentes configurations possibles
dépendent de l’ « affinité » entre
les deux éléments d’alliage
Solidification - procédés et simulation du moulage 25 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LACUNE DE MISCIBILITÉ
Si A et B deviennent dissemblables
Formation de 2 solutions solides à
basse température α1 et α2
- de même symétrie
- de composition différente
Existence d’un domaine où A
et B ne sont pas infiniment
solubles (lacune de solubilité
ou de miscibilité)
Diagramme à lacune de
miscibilité
Exemple : Au - Ni
Solide
Solide α1 + solide α2
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE
À LACUNE DE MISCIBILITÉ
Liquide
Solide α1
solide α2
Solidification - procédés et simulation du moulage 26 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Exercice
On donne le diagramme Au-Ni.
Étudiez le refroidissement d’un
alliage à 60 % de Ni.
Donnez la constitution de
l’alliage à différentes
températures :
- 1250 °C
- 900 °C
- 500 °C
- 20 °C
α
α1 + α2
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE
À LACUNE DE MISCIBILITÉ
Solidification - procédés et simulation du moulage 27 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
INFLUENCE DU DÉSACCORD ENTRE LES CONSTITUANTS
Liquide L
Solide α
Liquide L
α
β
α+β
α1+α2
Liquide L
Solide α
Liquide L
α1+α2
Solide α
-Élargissement de la lacune
-Contact avec le solidus
- Séparation des solutions solides
(structure cristalline différente)
SYSTÈME EUTECTIQUE
Solidification - procédés et simulation du moulage 28 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE À EUTECTIQUE
Liquidus
Solidus
CE
Alliages hypoeutectiques Alliages hypereutectiques
Alliage eutectique
TA
TB
Liquidus
M N
E
L+α
α+β
- Trois domaines monophasés
- Trois domaines biphasés
- Un domaine triphasé (E)
Deux limites de solubilité
maximale M et N
Un palier eutectique MN
Un point eutectique E,
composition de l’alliage
de plus bas point de fusion
Solution solide
de première espèce
Liquide L
L+β
Solideα
Solideβ
Si A et B sont
différents
Formation de 2 solutions solides α
et β (dites de première espèce)
à basse température
- de symétrie différente
- de composition différente
Existence de limites de
solubilité de A dans B
et de B dans A
Solidification - procédés et simulation du moulage 29 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LA RÉACTION EUTECTIQUE
)(C)(C)(C NME
βαL +⇔
À T = TE
M
N
E
Exemple du système Pb-Sn
)( βα +⇔ solidesphasesDeuxeutectiqueLiquide
Solidification - procédés et simulation du moulage 30 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LA RÉACTION EUTECTIQUE
)(C)(C)(C NME
βαL +⇔À T = TE
Constitution de l eutectique à TE-ε :
deux phases α et β
M
N
E
Exemple du système Pb-Sn
Eutectique lamellaire
MN
EN
CC
CC
)f(
−
−
=α
MN
EN
=)f( α
MN
ME
CC
CC
)f(
−
−
=β
MN
ME
=)f( β
Proportion de phase β
α β
Proportion de phase α
Solidification - procédés et simulation du moulage 31 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Exercice sur les diagrammes
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE À EUTECTIQUE
On donne le diagramme des
alliages Plomb-étain
1) Quelle est la constitution de
l’alliage Pb-Sn 61,9 à 182 °C
2) On étudie la solidification d’un
alliage Pb-Sn30. Donnez la
constitution de l’alliage aux
températures suivantes :
- 258 °C
- 225 °C
- 184 °C
- 182 °C
- 20°C
Solidification - procédés et simulation du moulage 32 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME D’EQUILIBRE
DES ALLIAGES D’ALUMINIUM
DE FONDERIE
(Al – Si)
Solidification - procédés et simulation du moulage 33 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Al-Si
Composition eutectique : 12,6% Si
Température : 577°C
Limite de solubilité du Si dans Al : 1,6%
Limite de solubilité de Al dans Si : 0%
Solidification - procédés et simulation du moulage 34 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
AlSi9MgMn AlSi17
http://aluminium.matter.org.uk/content/html/FRE/default.asp?catid=147&pageid=2144416416
ALLIAGES Al-Si
α (Al) β(Si)
Eutectique Eutectique
Solidification - procédés et simulation du moulage 35 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
AlSi12
http://aluminium.matter.org.uk/content/html/FRE/default.asp?catid=147&pageid=2144416416
ALLIAGES Al-Si
α (Al) Eutectique aciculaire Eutectique fibreuxα (Al)
pore
Alliage non modifié
Alliage modifié au
sodium
Solidification - procédés et simulation du moulage 36 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
EXEMPLE DE DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE DES PHASES
COMPORTANT DES COMPOSÉS INTERMEDIAIRES
Alliages cuivre-zinc :
Laitons
Solidification - procédés et simulation du moulage 37 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME D’EQUILIBRE
DES ALLIAGES DE FER
LES TRANSFORMATIONS
A L’ETAT SOLIDE
Solidification - procédés et simulation du moulage 38 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
ALLIAGES
FER – CARBONE
DIAGRAMME
D’ÉQUILIBRE
Fe – Cémentite
(Fe3C)
2
EutectiqueEutectique
EutectoEutectoîîdede
ComposComposéé FeFe33CC
ou cou céémentitementite
LiquideLiquide
AustAustéénitenite
FerriteFerrite
Solidification - procédés et simulation du moulage 39 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
DIAGRAMME
D’ÉQUILIBRE
Fe - Fe3C
Solution solide interstitielle de C dans Fe (CC).
Solubilité maximale : 0,08% C à 1492 °C
Phase δ CC
Phase liquide
Phase γ (Austénite)CFC
Solution solide interstitielle de C dans Fe (CFC).
Solubilité maximale : 2% C à 1148 °C
Phase α (Ferrite)CC
Solution solide interstitielle de C dans Fe (CC).
Solubilité maximale : 0,02% C à 723 °C
Carbure de fer (Cémentite) Orthorhombique
Composé chimiquement défini
( 25% at C ou 6,67%m C) : Fe3C. dure mais fragile
2
Solution de C dans Fe liquide
Solidification - procédés et simulation du moulage 40 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
2
La réaction eutectique : à 1148 °C,
entre la phase liquide et deux phases
solides (austénite et cémentite)
Le produit de la transformation au
refroidissement du liquide à 4,3 % C :
mélange de 2 phases solides appelé
LÉDÉBURITE. Elle se présente sous la
forme de petites plaquettes d austénite et
de cémentite.
La réaction eutectoîde : à 723 °C,
entre les trois phases principales : ferrite,
cémentite et austénite
Le produit de la transformation au
refroidissement de l ausénite à 0,8% C :
mélange de 2 phases solides appelé
PERLITE. Elle se présente sous la forme
de petites plaquettes de ferrite et de
cémentite.
DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Fe - Fe3C
( , %) ( , %) Fe Cγ α⇔ +0 8 0 02 3
( , %) ( %)L Fe Cγ⇔ +4 3 2 3
γ
α
Fe3C
Fe Cα + 3
Fe Cγ + 3
Solidification - procédés et simulation du moulage 41 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LES TRANSFORMATIONS À L’ÉTAT SOLIDE
des alliages Fe-C
TRANSFORMATION ALLOTROPIQUE DU FER
ENTRE 910 C ET 723 °C
TRANSFORMATION EUTECTOÏDE/PERLITIQUE
Réaction entre trois phases solides
( , ) ( , ) ( , )Fe Cγ α⇔ +0 8 0 02 3 6 67
Après solidification, certaines phases solides sont stables seulement à haute température.
Elles sont donc susceptibles d évoluer au cours du refroidissement final selon trois types de
transformations.
PRÉCIPITATION À PARTIR D UNE PHASE SOLIDE
V
( pauvre enC)(riche enC) (C )
Fe Cγ γ +⇒ 3
CFC CCFe Fe⇔
2
EutectiqueEutectique
EutectoEutectoîîdede
ComposComposéé FeFe33CC
ou cou céémentitementite
LiquideLiquide
AustAustéénitenite
FerriteFerrite
Solidification - procédés et simulation du moulage 42 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Teneur en carbone : 0.8% en poids
ACIER EUTECTOIDE
Grains
d’austénite
Nucléation de
la perlite
Croissance de
la perlite
Colonies
de perlite
Le produit de la transformation au refroidissement de
l’ausénite à 0,8% C : PERLITE. Elle se présente sous la forme
de petites plaquettes de ferrite et de cémentite.
CFe3%)02,0(%)8,0( +⇔ αγ
La réaction eutectoîde : à 723 °C, entre les trois
phases principales : ferrite, cémentite et austénite
Rm>
1000 MPa
Solidification - procédés et simulation du moulage 43 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
ACIER HYPOEUTECTOIDE
Germination de
la phase α sur
les joints de
grains de γ
Croissance de la
phase α au
détriment de γ
La phase γ atteint la
composition de
l’eutectoïde.
Elle se transforme
en perlite
γ
α
Fe3C
Fe Cα + 3
Grains
d’austénite γ
α
Perlite
Rm #
600 MPa
Solidification - procédés et simulation du moulage 44 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
ACIER HYPEREUTECTOIDE
Fe Cγ + 3
γ
α
Fe3C
Fe Cα + 3
Fe3C
Perlite
Solidification - procédés et simulation du moulage 45 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
FONTE HYPOEUTECTIQUE
La structure finale de la fonte dépend de la teneur en silicium et de la vitesse de refroidissement
Refroidissement rapide
a) Formation d’austénite à partir du liquide
b) Transformation eutectique
CFeL 3%3,4 +⇒ γ
Le mélange
est appelé : Lédéburite
CFe3+γ
c) Transformation eutectoïde
CFe3%8,0 +⇒ αγ
Refroidissement rapide
CFe3+αLe mélange
est appelé : Perlite
CFe3+α
Solidification - procédés et simulation du moulage 46 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Fonte blanche hypoeutectique
FONTE HYPOEUTECTIQUE
Lédéburite
Perlite
Refroidissement rapide
Solidification - procédés et simulation du moulage 47 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Perlite
Refroidissement lent
a) Formation d’austénite à partir du
liquide
b) Transformation eutectique
CL %3,4 +⇒ γ
c) Transformation eutectoïde
CFe3%8,0 +⇒ αγ
γ
γ
Perlite + graphite
Ferrite + graphite
si Silicium élevé
FONTE HYPOEUTECTIQUE
Solidification - procédés et simulation du moulage 48 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
Graphite
Perlite
Fonte grise hypoeutectique
FONTE HYPOEUTECTIQUE
Refroidissement lent

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  • 1. Solidification - procédés et simulation du moulage 1 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef MISE EN FORME DES MATERIAUX METALLIQUES FONDERIE ET SIMULATION DU MOULAGE -- Les diagrammes dLes diagrammes d’é’équilibre de phasesquilibre de phases -- Les principaux alliages de fonderieLes principaux alliages de fonderie -- Lois de la solidification des mLois de la solidification des méétaux et alliagestaux et alliages -- DDééfauts de fonderiefauts de fonderie -- Les procLes procééddéés de fonderies de fonderie -- Le contrôle du moulageLe contrôle du moulage -- la simulation du moulagela simulation du moulage MASTER MAM
  • 2. Solidification - procédés et simulation du moulage 2 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef PLAN DU COURSPLAN DU COURS RAPPELS SUR LES DIAGRAMMES DE PHASES Notions de solution solide - alliage Construction et utilisation des diagrammes de phases Exemples de diagrammes SOLIDIFICATION DES MÉTAUX ET ALLIAGES Lois de la solidification : germination et croissance Structures de solidification LE MOULAGE Procédés de moulage Contrôle du moulage : systèmes de remplissage et d’alimentation LES BASES THÉORIQUES DE LA SIMULATION Équations de conservation Méthode numérique Maillage et discrétisation Interface et menus Objet de la simulation Les étapes de la simulation Les processus simulés ESSAIS DE SIMULATION LOGICIEL DE SIMULATION « PAM-CAST » Méthodologie, base de données, paramètres Essai complet Influence des paramètres de fonderie Analyse des résultats DÉFAUTS DE SOLIDIFICATION Origine des défauts Remèdes PRINCIPAUX ALLIAGES DE FONDERIE Alliages ferreux : fontes Alliages non ferreux : base Al, base Mg, base Cu, base Zn
  • 3. Solidification - procédés et simulation du moulage 3 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef BIBLIOGRAPHIEBIBLIOGRAPHIE SOLIDIFICATION M.C FLEMINGS : Solidification processing ‒ Mc Graw Hill 1974 W. KURZ &D.J. FISHER : Fundamentals of solidification, Trans Tech Publications, 1998 F. DURAND : Solidification des alliages, École d été Carry-Le-Rouet Ed de Physique, 1988 G. LESOULT : Solidification, Traité des matériaux métalliques MB1, Techniques de l ingénieur, 2002 W. WINEGARD, Introduction à la solidification des métaux, Dunod, 1971 FONDERIE : PROCÉDÉS ET DÉFAUTS Gilles DOUR : Fonderie : Alliages, procédés, propriétés, défauts - Aide mémoire - Dunod, 2004 Mise en forme et fonderie, Traité des matériaux métalliques MC1, MC2 et MC3, Techniques de l ingénieur, 2002 Casting , ASM Handbook, vol 15 G. Facy, M. Pompidou : Précis de fonderie ‒ Ed Afnor Recherche de la qualité des pièces de fonderie, Editions techniques des industries de la fonderie, 1986 H. LEBRETON : Défauts des pièces de fonderie, Eyrolles, 1956 Conception des pièces métalliques moulées, Afnor, 1993 TAYLOR, FLEMINGS ET WULFF : Foundry engineering, 1959
  • 4. Solidification - procédés et simulation du moulage 4 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMMES D’EQUILIBRE DES PHASES
  • 5. Solidification - procédés et simulation du moulage 5 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION NOTION DE PHASE À T > Tfusion Métal liquide À T < Tfusion Germination du solide Une phase liquide Coexistence de deux phases - Une phase liquide - une phase solide Germe Cas d’un métal pur
  • 6. Solidification - procédés et simulation du moulage 6 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX Grain ou cristal ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION Croissance du solide –Cristal - grain Poursuite du refroidissement Croissance du solide Fin de la solidification Agrégat de cristaux jointifs POLYCRISTAL 2 PHASES 2 PHASES UNE SEULE PHASE SOLIDE PLUSIEURS CRISTAUX OU GRAINS
  • 7. Solidification - procédés et simulation du moulage 7 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX Tous les grains ont même structure cristalline et même composition Les cristaux se distinguent par leur orientation l’un par rapport à l’autre Les grains sont séparées par des joints de grains (zones à empilement plus ou moins régulier) Dimension : généralement 5 à 100 microns Solide métallique polycristallin homogène
  • 8. Solidification - procédés et simulation du moulage 8 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LA STRUCTURE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES STRUCTURE MICROSCOPIQUE C’est l’arrangement observé à l’échelle du microscope optique À l’échelle microscopique Un alliage solide peut se présenter sous la forme de UNE PHASE ou de PLUSIEURS PHASES Cristaux Grains Particules Dendrites Grains de fer pur Acier biphasé ferrite et cémentite lamellaire
  • 9. Solidification - procédés et simulation du moulage 9 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LA STRUCTURE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES CHAQUE PHASE SOLIDE PRÉSENTE UNE CERTAINE MORPHOLOGIE Exemple : Acier eutectoïde biphasé : ferrite + carbures ferrite et cémentite lamellaire ferrite et cémentite globulaire dendrites, polyèdres, lamelles, sphéroïdes, lentilles, aiguilles, plaquettes, lattes Forme Taille Répartition Orientation
  • 10. Solidification - procédés et simulation du moulage 10 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef NOTION DE SOLUTION SOLIDE ALLIAGE - ALLIAGE BINAIRE CONSTITUANT ÉLÉMENTAIRE : Élément simple (C, Fe, Cu) COMPOSANT : Corps pur chimiquement défini ou élément simple, Fe3C, SiO2, Al2O3 SOLUTION SOLIDE : Dissolution d’atomes du soluté dans le réseau du solvant Solution solide d’insertion Solution solide de substitution DEFINITIONS SOLUTION LIQUIDE : Dispersion d’un corps (soluté) dans un autre corps (solvant) solvant soluté SOLUTION SOLIDE
  • 11. Solidification - procédés et simulation du moulage 11 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef MISCIBILITÉ ET SOLUBILITÉ Capacité d’un corps à dissoudre partiellement ou totalement dans un autre corps Selon les corps Miscibilité totale Miscibilité partielle ou limitée Non miscibilité Solubilité illimitée Solubilité limitée Insoluble NOTION DE SOLUTION SOLIDE
  • 12. Solidification - procédés et simulation du moulage 12 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Eau + Huile Eau + Alcool Eau + Sel Cu - Ni Cu – Zn33 MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ α β α Cu – Zn40 Cu Pb SOLUBILITÉ LIMITÉE MISCIBILITÉ PARTIELLE TOTALEMENT NON MISCIBLES SOLUBILITÉ ILLIMITÉE MISCIBILITÉ TOTALE SOLUTION LIQUIDE SOLUTION SOLIDE
  • 13. Solidification - procédés et simulation du moulage 13 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Système Cu-Pb (particules de Pb insolubles) Structure biphasée du laiton CuZn40 (grains α blancs - grains β noirs) Limite de solubilité dépassée Grains de ferrite Une solution solide Fe-C (C<0,01%) Tout le carbone est dissous dans le fer MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ
  • 14. Solidification - procédés et simulation du moulage 14 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef MISCIBILITMISCIBILITÉÉ TOTALETOTALE - ÉLÉMENTS SOLUBLES EN TOUTES PROPORTIONS quelque soit la température Miscibilité - affinité Règles : -Taille voisine : ∆r < 15% -Même structure -Même valence MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ Exemple : Alliages cuivre – Nickel Alliages Nickel - cuivre Solution liquide Solution solide Cu-Ni Une seule phase quelque soit la composition Mélange liquide+ solide Température Composition Solution solide Une phase Cu-Ni Quelque soit la composition
  • 15. Solidification - procédés et simulation du moulage 15 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef MISCIBILITMISCIBILITÉÉ PARTIELLEPARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ Solution solide Phase α (Pb-Sn) Deux solutions solides α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb) MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ Exemple : Alliage Plomb - 10 % étain 1) Saturation du réseau du Pb 2) Rejet de l’élément Sn de la phase solide Pb-Sn 3) Précipitation d’une nouvelle phase Sn-Pb A température élevée : La dilatation du réseau du Pb permet à Sn de se substituer au Pb A température plus basse : Le réseau du Pb se contracte Dissolution totale de Sn dans Pb température
  • 16. Solidification - procédés et simulation du moulage 16 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef MISCIBILITÉ PARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ Solution solide α (Pb-Sn) Deux solutions solides α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb) LIMITE DE SOLUBILITÉ ET TEMPÉRATURE MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ Exemple : Alliage Plomb-étain 1) Saturation du réseau du solvant 2) Rejet de l’élément en solution 3) Précipitation d’une nouvelle phase 1/ La limite de solubilité augmente avec la température 2/ La courbe de solubilité T-%composition s'appelle SOLVUS 3/ L’ensemble des limites de solubilité et des limite de transformations de phases forme le diagramme d’équilibre des phases
  • 17. Solidification - procédés et simulation du moulage 17 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef La constitution de l’alliage Nature, Composition, Fraction massiqueNature, Composition, Fraction massique des diffdes difféérentes phasesrentes phases Température composition P CB T Composition massique de l’alliage AB de masse totale m BA B B mm m C + = 1CC AB + = mmm AB + = DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE Diagramme Température – Composition de l’alliage L’état d’équilibre d’un alliage AB est représenté par son point figuratif « P » de coordonnées (CB et T) βα α α mm m f + =Fraction massique de l’alliage AB biphasé (α + β) 1ff + =βα Nature : Identification des phases [Phase Pb-Sn (α) ou Sn-Pb(β)] Composition : Quantités relatives des éléments d’alliage Fraction massique : Quantités relatives des phases Le diagramme fournit
  • 18. Solidification - procédés et simulation du moulage 18 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME DE PHASES DE DEUX CORPS MUTUELLEMENT SOLUBLES Cuivre et Nickel
  • 19. Solidification - procédés et simulation du moulage 19 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef CONSTRUCTION DU DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Courbes d’analyse thermique d’alliages cuivre - nickel Composition Température Temps 100 % Cu 0% Ni 40 % Ni Composition 75 % Ni 0% Cu 100 % Ni Cu Ni20 40 60 80 1100 1200 1300 1400 1500 Liquidus Solidus Solide α Liquide Diagramme cuivre - nickel
  • 20. Solidification - procédés et simulation du moulage 20 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef EXPLOTATION du DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE 1) Pour déterminer la constitution d’un alliage à une température donnée (exemple de l’alliage Cu-Ni40 à 1250 °C) Composition 1250 °C 40%Ni 2) Pour déterminer les étapes du refroidissement de l’alliage (exemple de l’alliage Cu-Ni40) Savoir lire un diagramme On doit donner : La nature des phases La concentration des phases La proportion des phases
  • 21. Solidification - procédés et simulation du moulage 21 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef RÈGLE DE L’HORIZONTALE 1) Repérer le point représentatif P (1250 °C- 40%) 2) Tracer la ligne de conjugaison MPN 3) Lire les abscisses de M et N Phase Liquide CL= 32 % Ni Phase Solide CS = 45 % Ni 1) La nature des phases1) La nature des phases Domaine (L+S) : 1 phase liquide et 1 phase solide α 2) La concentration des phases2) La concentration des phases ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni %Ni Température(°C) A 32 4540 1250 °C L + α CL CS B P Q Liquidus M N C0 L Solidus α CONSTITUTION DE LCONSTITUTION DE L’’ALLIAGEALLIAGE
  • 22. Solidification - procédés et simulation du moulage 22 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef %Ni Température(°C) A 32 4540 1250 °C L + α CL CS B P Q Liquidus M N C0 L Solidus α RÈGLE DES SEGMENTS INVERSES LS 0SL L CC CC m m f − − == LS L0L S CC CC m m f − − == MN MP fL = MN PN fS = 3) La proportion des phases3) La proportion des phases %5,61100* 3245 3240 fS = − − = %5,38100* 3245 4045 f L = − − = Ainsi, dans 100 g d’alliage, il y a : 61, 5 g d’alliage liquide contenant 32 % de Ni et 68 % de Cu 38,5 g d’alliage solide contenant 45 % de Ni et 55 % de Cu 32% Ni 68% Cu 45% Ni 55% Cu ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni
  • 23. Solidification - procédés et simulation du moulage 23 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef (exemple de l’alliage Cu-Ni40) 1 2 3 4 5 100% de liquide Germination de α à 52 % de Ni Présence de α à 45 % Ni Liquide résiduel à 32%Ni Présence de α à 45 % Ni Liquide résiduel à 28%Ni Solide α à 40 % Ni 1 2 3 4 5 ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni DDÉÉTERMINER LESTERMINER LES ÉÉTAPES DUTAPES DU REFROIDISSEMENT DE LREFROIDISSEMENT DE L’’ALLIAGEALLIAGE
  • 24. Solidification - procédés et simulation du moulage 24 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME EN FUSEAU (ISOMORPHE) PARTIELLE MISCIBILITÉ PARTIELLETOTALE TOTALE TOTALE PARTIELLE DIAGRAMMES EUTECTIQUE PÉRITECTIQUE DIAGRAMMES MONOTECTIQUE SYNTECTIQUE À L'ÉTAT LIQUIDE À L'ÉTAT SOLIDE DIAGRAMMES D’ÉQUILIBRE BINAIRE Les différentes configurations possibles dépendent de l’ « affinité » entre les deux éléments d’alliage
  • 25. Solidification - procédés et simulation du moulage 25 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LACUNE DE MISCIBILITÉ Si A et B deviennent dissemblables Formation de 2 solutions solides à basse température α1 et α2 - de même symétrie - de composition différente Existence d’un domaine où A et B ne sont pas infiniment solubles (lacune de solubilité ou de miscibilité) Diagramme à lacune de miscibilité Exemple : Au - Ni Solide Solide α1 + solide α2 DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE À LACUNE DE MISCIBILITÉ Liquide Solide α1 solide α2
  • 26. Solidification - procédés et simulation du moulage 26 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Exercice On donne le diagramme Au-Ni. Étudiez le refroidissement d’un alliage à 60 % de Ni. Donnez la constitution de l’alliage à différentes températures : - 1250 °C - 900 °C - 500 °C - 20 °C α α1 + α2 DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE À LACUNE DE MISCIBILITÉ
  • 27. Solidification - procédés et simulation du moulage 27 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef INFLUENCE DU DÉSACCORD ENTRE LES CONSTITUANTS Liquide L Solide α Liquide L α β α+β α1+α2 Liquide L Solide α Liquide L α1+α2 Solide α -Élargissement de la lacune -Contact avec le solidus - Séparation des solutions solides (structure cristalline différente) SYSTÈME EUTECTIQUE
  • 28. Solidification - procédés et simulation du moulage 28 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE À EUTECTIQUE Liquidus Solidus CE Alliages hypoeutectiques Alliages hypereutectiques Alliage eutectique TA TB Liquidus M N E L+α α+β - Trois domaines monophasés - Trois domaines biphasés - Un domaine triphasé (E) Deux limites de solubilité maximale M et N Un palier eutectique MN Un point eutectique E, composition de l’alliage de plus bas point de fusion Solution solide de première espèce Liquide L L+β Solideα Solideβ Si A et B sont différents Formation de 2 solutions solides α et β (dites de première espèce) à basse température - de symétrie différente - de composition différente Existence de limites de solubilité de A dans B et de B dans A
  • 29. Solidification - procédés et simulation du moulage 29 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LA RÉACTION EUTECTIQUE )(C)(C)(C NME βαL +⇔ À T = TE M N E Exemple du système Pb-Sn )( βα +⇔ solidesphasesDeuxeutectiqueLiquide
  • 30. Solidification - procédés et simulation du moulage 30 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LA RÉACTION EUTECTIQUE )(C)(C)(C NME βαL +⇔À T = TE Constitution de l eutectique à TE-ε : deux phases α et β M N E Exemple du système Pb-Sn Eutectique lamellaire MN EN CC CC )f( − − =α MN EN =)f( α MN ME CC CC )f( − − =β MN ME =)f( β Proportion de phase β α β Proportion de phase α
  • 31. Solidification - procédés et simulation du moulage 31 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Exercice sur les diagrammes DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE À EUTECTIQUE On donne le diagramme des alliages Plomb-étain 1) Quelle est la constitution de l’alliage Pb-Sn 61,9 à 182 °C 2) On étudie la solidification d’un alliage Pb-Sn30. Donnez la constitution de l’alliage aux températures suivantes : - 258 °C - 225 °C - 184 °C - 182 °C - 20°C
  • 32. Solidification - procédés et simulation du moulage 32 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME D’EQUILIBRE DES ALLIAGES D’ALUMINIUM DE FONDERIE (Al – Si)
  • 33. Solidification - procédés et simulation du moulage 33 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Al-Si Composition eutectique : 12,6% Si Température : 577°C Limite de solubilité du Si dans Al : 1,6% Limite de solubilité de Al dans Si : 0%
  • 34. Solidification - procédés et simulation du moulage 34 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef AlSi9MgMn AlSi17 http://aluminium.matter.org.uk/content/html/FRE/default.asp?catid=147&pageid=2144416416 ALLIAGES Al-Si α (Al) β(Si) Eutectique Eutectique
  • 35. Solidification - procédés et simulation du moulage 35 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef AlSi12 http://aluminium.matter.org.uk/content/html/FRE/default.asp?catid=147&pageid=2144416416 ALLIAGES Al-Si α (Al) Eutectique aciculaire Eutectique fibreuxα (Al) pore Alliage non modifié Alliage modifié au sodium
  • 36. Solidification - procédés et simulation du moulage 36 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef EXEMPLE DE DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE DES PHASES COMPORTANT DES COMPOSÉS INTERMEDIAIRES Alliages cuivre-zinc : Laitons
  • 37. Solidification - procédés et simulation du moulage 37 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME D’EQUILIBRE DES ALLIAGES DE FER LES TRANSFORMATIONS A L’ETAT SOLIDE
  • 38. Solidification - procédés et simulation du moulage 38 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef ALLIAGES FER – CARBONE DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Fe – Cémentite (Fe3C) 2 EutectiqueEutectique EutectoEutectoîîdede ComposComposéé FeFe33CC ou cou céémentitementite LiquideLiquide AustAustéénitenite FerriteFerrite
  • 39. Solidification - procédés et simulation du moulage 39 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Fe - Fe3C Solution solide interstitielle de C dans Fe (CC). Solubilité maximale : 0,08% C à 1492 °C Phase δ CC Phase liquide Phase γ (Austénite)CFC Solution solide interstitielle de C dans Fe (CFC). Solubilité maximale : 2% C à 1148 °C Phase α (Ferrite)CC Solution solide interstitielle de C dans Fe (CC). Solubilité maximale : 0,02% C à 723 °C Carbure de fer (Cémentite) Orthorhombique Composé chimiquement défini ( 25% at C ou 6,67%m C) : Fe3C. dure mais fragile 2 Solution de C dans Fe liquide
  • 40. Solidification - procédés et simulation du moulage 40 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef 2 La réaction eutectique : à 1148 °C, entre la phase liquide et deux phases solides (austénite et cémentite) Le produit de la transformation au refroidissement du liquide à 4,3 % C : mélange de 2 phases solides appelé LÉDÉBURITE. Elle se présente sous la forme de petites plaquettes d austénite et de cémentite. La réaction eutectoîde : à 723 °C, entre les trois phases principales : ferrite, cémentite et austénite Le produit de la transformation au refroidissement de l ausénite à 0,8% C : mélange de 2 phases solides appelé PERLITE. Elle se présente sous la forme de petites plaquettes de ferrite et de cémentite. DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE Fe - Fe3C ( , %) ( , %) Fe Cγ α⇔ +0 8 0 02 3 ( , %) ( %)L Fe Cγ⇔ +4 3 2 3 γ α Fe3C Fe Cα + 3 Fe Cγ + 3
  • 41. Solidification - procédés et simulation du moulage 41 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef LES TRANSFORMATIONS À L’ÉTAT SOLIDE des alliages Fe-C TRANSFORMATION ALLOTROPIQUE DU FER ENTRE 910 C ET 723 °C TRANSFORMATION EUTECTOÏDE/PERLITIQUE Réaction entre trois phases solides ( , ) ( , ) ( , )Fe Cγ α⇔ +0 8 0 02 3 6 67 Après solidification, certaines phases solides sont stables seulement à haute température. Elles sont donc susceptibles d évoluer au cours du refroidissement final selon trois types de transformations. PRÉCIPITATION À PARTIR D UNE PHASE SOLIDE V ( pauvre enC)(riche enC) (C ) Fe Cγ γ +⇒ 3 CFC CCFe Fe⇔ 2 EutectiqueEutectique EutectoEutectoîîdede ComposComposéé FeFe33CC ou cou céémentitementite LiquideLiquide AustAustéénitenite FerriteFerrite
  • 42. Solidification - procédés et simulation du moulage 42 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Teneur en carbone : 0.8% en poids ACIER EUTECTOIDE Grains d’austénite Nucléation de la perlite Croissance de la perlite Colonies de perlite Le produit de la transformation au refroidissement de l’ausénite à 0,8% C : PERLITE. Elle se présente sous la forme de petites plaquettes de ferrite et de cémentite. CFe3%)02,0(%)8,0( +⇔ αγ La réaction eutectoîde : à 723 °C, entre les trois phases principales : ferrite, cémentite et austénite Rm> 1000 MPa
  • 43. Solidification - procédés et simulation du moulage 43 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef ACIER HYPOEUTECTOIDE Germination de la phase α sur les joints de grains de γ Croissance de la phase α au détriment de γ La phase γ atteint la composition de l’eutectoïde. Elle se transforme en perlite γ α Fe3C Fe Cα + 3 Grains d’austénite γ α Perlite Rm # 600 MPa
  • 44. Solidification - procédés et simulation du moulage 44 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef ACIER HYPEREUTECTOIDE Fe Cγ + 3 γ α Fe3C Fe Cα + 3 Fe3C Perlite
  • 45. Solidification - procédés et simulation du moulage 45 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef FONTE HYPOEUTECTIQUE La structure finale de la fonte dépend de la teneur en silicium et de la vitesse de refroidissement Refroidissement rapide a) Formation d’austénite à partir du liquide b) Transformation eutectique CFeL 3%3,4 +⇒ γ Le mélange est appelé : Lédéburite CFe3+γ c) Transformation eutectoïde CFe3%8,0 +⇒ αγ Refroidissement rapide CFe3+αLe mélange est appelé : Perlite CFe3+α
  • 46. Solidification - procédés et simulation du moulage 46 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Fonte blanche hypoeutectique FONTE HYPOEUTECTIQUE Lédéburite Perlite Refroidissement rapide
  • 47. Solidification - procédés et simulation du moulage 47 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Perlite Refroidissement lent a) Formation d’austénite à partir du liquide b) Transformation eutectique CL %3,4 +⇒ γ c) Transformation eutectoïde CFe3%8,0 +⇒ αγ γ γ Perlite + graphite Ferrite + graphite si Silicium élevé FONTE HYPOEUTECTIQUE
  • 48. Solidification - procédés et simulation du moulage 48 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef Graphite Perlite Fonte grise hypoeutectique FONTE HYPOEUTECTIQUE Refroidissement lent