[PDF] Étude Elaboration Et Caractérisation Dune Fonte GS Modifiée En

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Soutenu publiquement le 10 / 12 / 2012 devant le jury composé de :

M.M. AZZAZ """"".........Prof USHTB/FGM ..................................................... Président

0''$+0281"""3URI867+%)*0 ................................. directeur de mémoire

06%(5*+8(8/""""3URIà Blida ......................................................... Examinateur

M. B. DJEREDJARE"""""Maitre de conférence/A à USTHB/FGM ............. Examinateur M.R. CHEGROUN(""""". Maitre de conférence/A à USTHB/FGM ............. Examinateur

Memoire

présenté pour l'obtention du diplome de MAGISTER

En :Génie Mécanique

Spécialité : Génie des Matériaux

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene Faculté de Génie Mécaniques et de Génie des Procédés Modifiée En Vue De Substituer Des Pièces En Aciers

Moulés

Par: Nabil FADEL

Sujet

Dédicace

Je dédie ce modeste travail à :

"Ô mon Seigneur, fais- - Mes frères. - Mes amis. - La mémoire de El Hadj GOUZI.

Remerciements

Jevoudrais ALLAH qui ma donner la santé et la force pour aboutir à mes ambitions et de terminer ce travail.

Ce travail a été réalisé au Laboratoire des Sciences et de Génie des Matériaux " LSGM » de la

Faculté de Génie Mécaniques et de Génie des Procédés à aimerais ma profonde reconnaissance à mon promoteur

MrDAHMOUN Djaffar, professeur à l'USTHB, mon

Je tiens àremercier tous ceux qui aidé de près ou de loin pour finir ce travail. Un grand merci à MrKAOUA Sid-Ali, Maitres de Conférences à l'USTHBqui m'a accueillie trèsgentiment et qui a accepté de répondre à mes quelques questions. Je remercie également MrAZZAZ HAMZA, TAHI SID AHMED,MECHERI HANANE, Et tous les étudiants en magisterpour leurs aides et leurs soutiens.

Je ne saurais terminer sans remercier vivement le président et les membres du jury pour avoir accepté

expertiser ce travail et honoré par leur présence à la soutenance.

A tous les enseignants du département Science des Matériaux, qui ont contribué à ma formation.

A tous mes camarades et mes amis.

Je remercie toutes les personnes bienveillantes qui ont contribué au bon d´déroulement de cette

thèse.

Sommaire

Sommaire ..................................................................................................................................... 1

Introduction générale ................................................................................................................. 3

I.Chapitre : Généralités sur les fontes

I.1 Introduction ................................................................................................................... 7

I.2 Les différentes classes de fontes. .................................................................................. 7

I.3 Les différents composants ............................................................................................ 8

I.4 Fonte a graphite sphéroïdal ........................................................................................ 11

I.4.1 Elaboration .............................................................................................................. 12

I.4.2 Les éléments d'alliage .............................................................................................. 13

I.5 Influence des éléments d'alliage sur le diagramme Fe-C .............................................. 15

I.5.1 Carbone équivalent ................................................................................................... 17

I.5.2 Réaction eutectoïde .................................................................................................. 18

I.6 Traitement thermique appliqué aux fontes .................................................................... 19

I.6.1 Diagrammes TRC et TTT ......................................................................................... 20

I.6.2 Diagrammes TRC ..................................................................................................... 20

I.6.3 Traitement thermique appliqué aux fontes G.S ........................................................ 21

I.6.3.1 Description du traitement thermique ............................................................ 21

I.6.3.2 Influence du recuit de ferritisation ................................................................ 22

II.Chapitre : Fonderie

II.1 Fonderie .............................................................................................................................. 24

II.2 Le procédé de fonderie ................................................................................................... 26

II.3 Le moulage ........................................................................................................................ 27

II.4 Les moules perdus ........................................................................................................... 29

II.4.1 Le moulage en sable (sable à vert) ............................................................................. 29

II.4.1.1. Sable de fonderie ......................................................................................... 29

II.4.2 Moulage sable à la main .............................................................................................. 30

II.4.2.1 Conception des modèles .............................................................................. 32

II.4.2.2 Noyau et boite à noyau ................................................................................ 35

II.4.3 Moulage mécanique ...................................................................................................... 36

II.4.3.1 Plaques modèles .......................................................................................... 36

II.5 Défauts des pièces moulées ............................................................................................ 38

III.Chapitre : Soudage des fontes

III.1. soudage ............................................................................................................................... 40

III.1.1 Soudage autogène .......................................................................................................... 40

III.1.2 Le soudage hétérogène ................................................................................................. 40

III.2 Classification des principaux procédés de soudage ..................................................... 41

III.2.1 Energie thermochimique .............................................. 41

III.2.2 Energie soudage ........................................................................................................... 46

III.2.3 Procédé à arc avec électrodes enrobées .................................................................... 46

III.3 Les défauts de soudage .................................................................................................... 46

III.4 Soudage de fontes ............................................................................................................. 46

III.5 .............................................................................................................. 46

Sommaire

III.6 Choix des électrodes pour le soudage des fontes à graphite sphéroïdal .................... 46

III.6.1 Type de nickel pur ....................................................................................................... 46

III.6.2 Type ferro-nickel ........................................................................................................ 46

III.7 Action du nickel et de chrome sur (système Fe-C) ....................................................... 46

III.7.1 Action du nickel (système Fe-Cr-Ni) ........................................................................ 46

III.7.2 Les phases formées par la diffusion du nickel dans le fer ..................................... 46

III.7.3 Action du chrome (système Fe-Cr) ........................................................................... 46

III.8 La diffusion ........................................................................................................................ 46

III.8.1 .............................................................................................. 46

III.8.2 ide ............................................................................................ 46

III.8.3 Mécanismes élémentaires de la diffusion ............................................................... 46

III.9 Préchauffage des fonts GS ............................................................................................... 46

III.10 Préparation des bords pour la fonte ............................................................................................. 46

III.11 Défauts possibles ............................................................................................................... 46

IV.Chapitre : Partie expérimental

IV.1 Méthodologie de la réalisation de la pièce de fonderie. .......................................... 52

IV.1.1 Choix de matériau .................................................................................................... 52

IV.1.2 Etude de la réalisation .............................................................................................. 54

IV.2 Modelage .................................................................................................................. 58

IV.3 élaboration ................................................................................................................ 60

IV.4 Matériau a étude ....................................................................................................... 66

IV.5 Identification de métal de base ................................................................................. 66

IV.6 Soudage des barreaux .............................................................................................. 66

IV.7 ...................................... 68

IV.8 Etude micrographique ............................................................................................ 69

IV.9 Essai de dureté Brinell .............................................................................................. 70

IV.10 Essais de traction ...................................................................................................... 71

V.Chapitre : Résultats

V.1 Résultat et interprétations ......................................................................................... 73

V.2 Le résultat de prix de la pièce .................................................................................. 73

V.3 ............................................ 75 V.4 .............................................................. 75

V.4.1 La micrographie pour la forme de carbone .......................................................... 76

V.4.2 La micrographie pour voir la matrice de la fonte ................................................. 77

V.5 ................................................ 78

V.6 ............................... 80

V.7. Les résultats de la caractérisation métallographique et mécanique de soudage ...... 81

V.8 ion sur les éprouvettes soudées ..... 81

V.9 ............................... 83

V.10. ........................... 84

V.11 Répartition topographique des éléments présents .................................................... 86

V.12 ............................................................. 89

Sommaire

VI.Chapitre : Simulation numérique

VI.1 Conception et simulation numérique ....................................................................... 90

VI.1.1 Modélisation graphique ...................................................................................... 90

VI.1.2 Conception assistée par ordinateur (CAO). ........................................................ 90

VI.2 Simulation numérique ............................................................................................. 90

VI.2.1 Modélisation mécanique (La Méthode Des éléments Finis (MEF)) ................. 90

VI.3 Application numérique ............................................................................................ 92

VI.3.1 La sollicitation de système ................................................................................. 93

VI.3.2 Test sur le support rotule .................................................................................... 94

VI.4 Résultats et interprétations : ..................................................................................... 94

VI.4.1 ..................................................................................... 94

VI.4.2 ...................................................................... 98

VI.5 Sollicitation a la rupture ....................................................................................... 100

Conclusion générale ............................................................................................................... 102

Bibliographie ........................................................................................................................... 104

Introduction générale

Page 3

Introduction générale

d'amortissement et faible sensibilité à

l'entaille. Avec la découverte de la fonte à graphite sphéroïdal (1946), les propriétés

mécaniques des fontes ont beaucoup évolués. En 1998, cinquante ans après la découverte, la

production mondiale de fonte à graphite sphéroïdal, a été estimée à 15 millions de tonnes, soit

près de la moitié du tonnage d'acier moulé [1]. Entre temps la technologie des fontes ductiles

et les applications réalisées sur ces matériaux ont beaucoup progressé. Le développement des fontes à graphite sphéroïdal est une avancée importante dans la technologie des fontes ductiles. Depuis leur entrée dans le domaine commercial en 1948, les

pièces en fonte GS se sont révélées être l'alternative au point de vue prix pour les pièces en

fonte malléable, en acier coulé, les pièces forgées et assemblées [2]"FHFLSRXUGHPXOWLSOHV

raisons dont certaines sont expliquées aux pages suivantes. Elles trouvent aujourd'hui une

place prépondérante dans de nombreuses applications : pièces de mécanique générale, d'usure,

engrenages, vilebrequins, prototypes de bielles, fourchettes pour arbres à transmission, pièces

pour l'industrie ferroviaire.

rotule) en acier moulé (E 23 - 45 M) par une pièce en fonte à graphite sphéroïdal en tenant

compte des caractéristiques mécaniques souhaitées. Pour cela, nous avons étudiés la

possibilité de la réalisation au niveau de la fonderie de Rouiba (DFR). Sachant que le support

un acier moulé pour faire une caractérisation mécanique et métallographique au niveau de la

et au mouvement. Ce travail se présente en deux grandes parties : une première partie bibliographique qui nous permet de nous familiariser avec le matériau, les techniques d'évaluations. Dans la

seconde partie, nous avons exposé les différentes méthodes utilisées, l'étude expérimentale de

notre matériau et les résultats obtenus.

Introduction générale

Page 4

bibliographique des fontes GS afin de comprendre les différents constituants de cette famille,

les traitements thermiques utilisés, les structures obtenues, les phases en présence. Le

utilisés et avoir un regard global sur les divers phénomènes existants tels que les défauts

La seconde partie de notre travail est constituée de deux chapitres ; le premier porte

sur l'étude expérimentale des fontes GS avec la méthode expérimentale utilisée pour

obtenus et leurs interprétations.

Chapitre I Partie bibliographique

I.1. introduction La métallurgie des fontes repose à la fois sur les deux variantes du diagramme

d'équilibre Fe/C, à savoir le diagramme fer/graphite et le diagramme fer/cémentite. De ce fait

on distingue, en fonction de l'état dans lequel le carbone est précipité (figure I.1): - - - - - : Les lignes en traits pleins correspondent au diagramme métastable. - : Les lignes en pointillés correspondent à l'équilibre stable. Dans ce dernier cas, dans chacune des zones d'équilibre des phases, la phase cémentite est remplacée par la phase

graphite. Exemple : liquide + cémentite devient : liquide +graphite ; de même que : austénite +

cémentite devient : austénite + graphite. - - - - : Partie du diagramme métastable récemment mis en évidence par des travaux russes. Figure I.1: Diagramme fer-carbone- D'après Ctif [1].

I.2. Les différentes classes de fontes

les fontes dites " grises » parce qu'elles contiennent du graphite à l'état de particules qui

peuvent être des lamelles (fontes à graphite lamellaire) ou des nodules (fontes à graphite

sphéroïdal surtout (figure I.2). Les propriétés mécaniques de ces fontes dépendent de la

structure de la matrice mais sont affectées par les défauts de compacité que constituent les

particules de graphite (plus nocives si elles sont lamellaires, moins nocives si elles sont nodulaires); Page 7

Chapitre I Partie bibliographique

les fontes dites " blanches » parce que leur carbone est précipité sous forme de cémentite

Fe3C et qu'elles ne contiennent pas de particules de graphite. Ces fontes sont généralement dures mais fragiles. Figure I.2 : Les déférentes formes de graphite [2]

À côté de ce classement on prend en compte l'état de la matrice qui enrobe les précipités et on

considère donc des fontes : • ferritiques; avec ferrite + carbures et/ou graphite; • perlitiques; avec perlite + carbures et/ou graphite; • bainitiques; avec bainite + carbures et/ou graphite; •martensitiques; avec martensite + carbures et/ou graphite; • austénitiques; avec austénite + carbures et/ou graphite. Ces différents états sont obtenus par action sur la composition chimique, les conditions de solidification et de refroidissement et, éventuellement en recourant à des traitements thermiques. (Aide-mémoire en métallurgie)

I.3. Les différents composants

L'excès de carbone

provoque la formation de phases qui donnent à la fonte une structure composite. Les composants qui vont être cités ici sont ceux que Ton peut rencontrer sur le matériau brut de coulée.

Page 8

Chapitre I Partie bibliographique

a) Ferrite La ferrite apparaît au microscope sous la forme de grains polyé driques. Ce constituant de la microstructure est une solution solide de fer pratiquement exempte de carbone, dans laquelle d'autres métaux sont susceptibles de se dissoudre. Ainsi, la ferrite contient, en solution, du manganèse et une quantité appréciable de silicium. D'autres éléments d'alliage,

telle que le cuivre ou le nickel, peuvent également s'y trouver dissous. La ferrite des fontes est

relativement douce et usinable, mais plus dure que celle des aciers au carbone non allies en raison d'une teneur en silicium plus élevée et elle se prête au décolletage. Une matrice

ferritique confère aux fontes à graphite sphéroïdal et aux fontes malléables un allongement

élevé

à la rupture (jusqu'à 22%) [3].

Bien qu'une petite

quantité de ferrite au voisinage du graphite durcisse de façon satisfaisante, lors de la trempe superficielle au chalumeau ou par induction, une matrice essentiellement ferritique ne convient pas à ces méthodes de durcissement par chauffage rapide. En revanche, il est p ossible d'avoir un résultat convenable grâce à un traitement thermique de trempe conventionnel. Avec certains types de fontes, une matrice ferritique peut être obtenue à l'état brut de coulée ; cependant, une telle structure est, en général, le résultat d'un traitement thermique de ferritisation ou recuit. Dans une structure de matrice mixte, des grains de ferrite sont situés fréquemment au contact du graphite, par suite d'une migration rapide des atomes du carbone, en solution dans les plages de ferrite, vers les particules de graphite présentes, au cours du refroidissement. Dans les fontes a graphite sphéroïdal, la présence d'une auréole de ferrite autour des sphéroïdes de graphite a fait donner à cette structure le nom de structure en bull's eyes (en oeil-de-boeuf) ().

: Fonte à graphite sphéroïdal à matrice perlitique, mais dans laquelle le graphite est entouré

de ferrite, ce qui donne une structure" en b ull's eyes » (en oeils -de-boeuf. Échantillon attaqué, grossissement 100 [4].

Page 9

Chapitre I Partie bibliographique

b) L'austénite (A)

C'est une solution

est peu dure est relativement malléable (HB =

300) [4]. La microstructure de l'austénite est

composée de gains polyédriques. Elle peut exister à la température ambiante que dans un état

métastable. Elle est antiferromagnétique. c) Cémentite

La cémentite ou carbone de fer (Fe

3 C) est une combinaison chimique de fer et de carbone dont la teneur en carbone peut atteindre 6,67 %, de dureté très élevée (700 à 800 HB), qui se forme à partir de l'austénite lors d'un refroidissement rapide, suivant le diagramme de phases métastable Fe -Fe3C. Elle se décompose au-delà de 500 °C pour former de la ferrite et du

graphite. La présence de Si dans la matrice facilite cette décomposition. Elle peut être retardée

par l'ajout d'éléments d'alliage (Cr, Mn, Mo, Cu) qui stabilisent la cémentite. Dans les fontes

GS, elle est surtout présente sous forme de perlite [3]. d) Perlite Cet agrégat est formé par la juxtaposition de lamelles de ferrite et de cémentite (88 % de ferrite et 12 % de cémentite). Ces lamelles sont d'autant plus fines que la vitesse de

refroidissement est élevée. C'est de cette finesse que vont dépendre les caractéristiques

mécaniques de la perlite. En effet, dureté et finesse sont liées par la formule de Belaieff: HB.D 0 = 80. Ou D 0 0 varie (Cu, Cr, Mn, Mo, Ni, V) destinés à améliorer le comportement mécanique agissent principalement en modifiant la finesse de la perlite [5]. : Structure perlitique d'une fonte grise [3].

Page 10

Chapitre I Partie bibliographique

e) Martensite Cette phase cristallise dans le système quadratique. Ce compose est obtenu par un refroidissement rapide effectue à partir de la phase austénitique. II ne peut donc pas être

présent à l'état brut de coulée. Son apparition est en fonction de la vitesse de trempe et de la

teneur en éléments d'alliage. La formation de la martensite fait appel à un mécanisme de transformation displacive. La rapidité de la transformation est telle que le Carbone n'a pas le temps de diffuser et se trouve en solution dans la structure cubique centré. Cette structure ne peut dissoudre que 0,03 % de Carbone à l'état d'équilibre et doit ici absorber les 0,8 % de Carbone provenant de l'austénite. II se produit alors une distorsion de la maille cubique centré. La structure obtenue a une dureté particulièrement élevée. f) Graphite On distingue deux classes de fontes différenciées par la forme des particules de graphite : les fontes à graphite lamellaire et les fontes à graphite nodulaire. Comparativement au graphite lamellaire, le graphite nodulaire permet à la fonte d'avoir des caractéristiques mécaniques très proches de celles des aciers car la forme des nodules minimise 1'effet

d'entaille dans la matrice. Deux procédés sont utilisés pour obtenir des pièces en fonte à

graphite sphéroïdal: -Par une addition de magnésium dans la fonte liquide (inoculation), on provoque la formation de nodules directement lors de la solidification. -Par traitement thermique des pièces en fonte blanche (ou le carbone n'est présent que sous forme de carbures), on décompose la cémentite, ce qui permet la formation de graphite. I.4

Fonte a graphite sphéroïdal :

Ces fontes, dites aussi ductiles, ont été mises au point dans les années quarante. On les désigne parfois sous le nom de fontes nodulaires ou de fontes GS. Des travaux de mise au

point intensifs ont été menés au cours des années cinquante. Les fontes a graphite sphéroïdal

ont connu, ensuite, un essor phénoménal dans leur utilisation comme matériau industriel (le tonnage produit a été multiplié par 9 en 10 ans), et la croissance rapide de leurs applications se poursuit encore actuellement. Cette fonte, est un alliage de fonderie à base de fer, de silicium et de carbone en

teneur généralement supérieure à 3 %. Le carbone en excédent du pourcentage soluble dans le

fer à l'état solide est présent sous forme de graphite. Lorsque ce carbone se présente sous sa

forme naturelle, qui est lamellaire, il a un effet fragilisant, ces lamelles de graphite se comportant comme des fissures dans le matériau. Au contraire, sous forme de sphéroïdes, son

influence néfaste sur le comportement mécanique sera très atténuée, ce qui entraine la

disparition de la fragilité et l'amélioration de l'allongement et du comportement à la fatigue.

La formation du graphite sphéroïdal nécessite différentes opérations avant la coulée de

la fonte liquide. Dans ce chapitre qui résume les données bibliographiques nécessaires à notre

Page 11

Chapitre I Partie bibliographique

étude, nous rappelons dans un premier temps les principes concernant l'élaboration de ce type de matériau.

Lors du refroidissement de la fonte, de l'état liquide jusqu'à l'état solide, différentes

transformations interviennent et confèrent au matériau des caractéristiques microstructurales

bien particulières. Cette seconde phase fait l'objet de la deuxième partie du chapitre. Comme c'est le cas pour les aciers, à partir d'une même nuance de fonte il est possible

d'obtenir différentes microstructures selon les traitements thermiques appliques. Cette faculté

a l'intérêt de permettre l'obtention d'une large gamme de propriétés mécaniques. Dans une

troisième partie nous verrons les méthodes d'obtention de ces microstructures ainsi que leurs influences sur le comportement mécanique du matériau. La présence du graphite sous forme de sphéroïdes permet l'utilisation des fontes G.S.

pour des applications qui requièrent une bonne résistance à la fatigue. La dernière partie de ce

chapitre porte sur les mécanismes d'endommagement des fontes GS en fatigue à moyens et

grands nombres de cycles, ce qui correspond au domaine de sollicitation des pièces réalisées

dans ce matériau. Nous portons plus particulièrement notre attention sur l'influence de la microstructure. Les informations obtenues, associées à celles concernant les différents traitements thermiques appliques aux fontes apporteront des voies d'optimisation de la microstructure vis- à-vis des propriétés mécaniques recherchées.

I.4.1. Elaboration

Sphéroïdisation et inoculation

Comme cela a été dit précédemment, la forme sphérique de la phase graphitique est la plus intéressante en ce qui concerne les propriétés mécaniques. Cependant, la structure cristalline du graphite ne favorise pas une précipitation sous forme de sphères mais plutôt sous forme de lamelles. Il est donc nécessaire d'ajouter au bain liquide des éléments chimiques dont la fonction sera d'obliger le précipite à prendre une forme sphérique. a) Sphéroïdisation Cette opération, permet comme son nom l'indique, d'obtenir un graphite de forme

sphérique. Pour réaliser cette condition il est nécessaire de rajouter du Magnésium qui est très

avide de soufre et d'oxygène. Lorsqu'il se combine à S et O pour former des sulfures et des oxydes, la tension superficielle de la fonte augmente et l'on obtient une forme sphénoïdale du graphite. Une teneur de 0,03 à 0,06 % de Mg dans le bain liquide suffit à obtenir une forme sphéroïdale du graphite dans une fonte à bas soufre [4]. b) Inoculation Le traitement d'inoculation permet d'obtenir une fonte graphitique. Cette inoculation se

fait par addition d'un produit graphitisant, en général du Ferro-silicium. La forte concentration

locale en Si conduit à la formation de composés (de type carbures de silicium) qui vont

Page 12

Chapitre I Partie bibliographique

constituer par la suite des sites préférentiels de germination du graphite et permettre de combattre ainsi la tendance naturelle de la fonte à solidifier dans le système métastable. c) Solidification des fontes G.S.

Les fontes

G.S. sont majoritairement de composition eutectique ou hypereutectique. Lors de la solidification, c'est le graphite qui se forme en premier dans le bain liquide sur les sites

de germination constitués lors de l'étape d'inoculation [6]. Les sphéroïdes formés s'entourent

ensuite d'une gaine austénitique, appelée cellule eutectique, à travers laquelle le carbone doit

diffuser pour les faire croître [7]. La Figure I.5 schématise les mécanismes de solidification :

Description schématique de la solidification d'une fonte G.S. hypereutectique [4]. I.4quotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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