et alliages - Défauts de fonderie

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1 MISE EN FORME DES MATERIAUX METALLIQUES FONDERIE ET SIMULATION DU MOULAGE MASTER MAM - Les diagrammes d éd équilibre de phases - Les principaux alliages de fonderie - Lois de la solidification des métaux m et alliages - Défauts de fonderie - Les procédés s de fonderie - Le contrôle du moulage - la simulation du moulage Solidification - procédés et simulation du moulage 1 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

2 PLAN DU COURS RAPPELS SUR LES DIAGRAMMES DE PHASES Notions de solution solide - alliage Construction et utilisation des diagrammes de phases Exemples de diagrammes PRINCIPAUX ALLIAGES DE FONDERIE Alliages ferreux : fontes Alliages non ferreux : base Al, base Mg, base Cu, base Zn SOLIDIFICATION DES MÉTAUX ET ALLIAGES Lois de la solidification : germination et croissance Structures de solidification DÉFAUTS DE SOLIDIFICATION LE MOULAGE LES BASES THÉORIQUES DE LA SIMULATION ESSAIS DE SIMULATION LOGICIEL DE SIMULATION «PAM-CAST» Origine des défauts Remèdes Procédés de moulage Contrôle du moulage : systèmes de remplissage et d alimentation Équations de conservation Méthode numérique Maillage et discrétisation Interface et menus Objet de la simulation Les étapes de la simulation Les processus simulés Méthodologie, base de données, paramètres Essai complet Influence des paramètres de fonderie Analyse des résultats Solidification - procédés et simulation du moulage 2 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

3 BIBLIOGRAPHIE Solidification - procédés et simulation du moulage 3 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

4 DIAGRAMMES D EQUILIBRE DES PHASES Solidification - procédés et simulation du moulage 4 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

5 STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION NOTION DE PHASE Cas d un métal pur ÀT > T fusion Métal liquide ÀT < T fusion Germination du solide Germe Une phase liquide Coexistence de deux phases - Une phase liquide - une phase solide Solidification - procédés et simulation du moulage 5 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

6 STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATION Croissance du solide Cristal - grain 2 PHASES 2 PHASES Poursuite du refroidissement Croissance du solide Fin de la solidification Agrégat de cristaux jointifs POLYCRISTAL UNE SEULE PHASE SOLIDE PLUSIEURS CRISTAUX OU GRAINS Grain ou cristal Solidification - procédés et simulation du moulage 6 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

7 STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX Solide métallique polycristallin homogène 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 Solidification - procédés et simulation du moulage 7 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

8 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 Grains de fer pur UNE PHASE ou de PLUSIEURS PHASES Acier biphasé ferrite et cémentite lamellaire Cristaux Grains Particules Dendrites Solidification - procédés et simulation du moulage 8 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

9 LA STRUCTURE DES MÉTAUX ET ALLIAGES MÉTALLIQUES CHAQUE PHASE SOLIDE PRÉSENTE UNE CERTAINE MORPHOLOGIE Forme Taille Répartition Orientation dendrites, polyèdres, lamelles, sphéroïdes, lentilles, aiguilles, plaquettes, lattes Exemple : Acier eutectoïde biphasé : ferrite + carbures ferrite et cémentite lamellaire ferrite et cémentite globulaire Solidification - procédés et simulation du moulage 9 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

10 NOTION DE SOLUTION SOLIDE DEFINITIONS ALLIAGE - ALLIAGE BINAIRE CONSTITUANT ÉLÉMENTAIRE : Élément simple (C, Fe, Cu) COMPOSANT : Corps pur chimiquement défini ou élément simple, Fe 3 C, SiO 2, Al 2 O 3 SOLUTION LIQUIDE : Dispersion d un corps (soluté) dans un autre corps (solvant) SOLUTION SOLIDE : Dissolution d atomes du soluté dans le réseau du solvant Solution solide de substitution Solution solide d insertion solvant soluté SOLUTION SOLIDE Solidification - procédés et simulation du moulage 10 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

11 NOTION DE SOLUTION SOLIDE 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 Solidification - procédés et simulation du moulage 11 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

12 MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ SOLUTION LIQUIDE Eau + Alcool Eau + Sel Eau + Huile SOLUBILITÉ ILLIMITÉE MISCIBILITÉ TOTALE SOLUBILITÉ LIMITÉE MISCIBILITÉ PARTIELLE TOTALEMENT NON MISCIBLES Cu - Ni SOLUTION SOLIDE α Cu Zn33 α β Cu Zn40 Cu Pb Solidification - procédés et simulation du moulage 12 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

13 MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ Grains de ferrite Une solution solide Fe-C (C<0,01%) Tout le carbone est dissous dans le fer Structure biphasée du laiton CuZn40 (grains α blancs - grains β noirs) Limite de solubilité dépassée Système Cu-Pb (particules de Pb insolubles) Solidification - procédés et simulation du moulage 13 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

14 MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ MISCIBILITÉ TOTALE - ÉLÉMENTS SOLUBLES EN TOUTES PROPORTIONS quelque soit la température Miscibilité - affinité Règles : Exemple : Alliages cuivre Nickel Alliages Nickel - cuivre -Taille voisine : r < 15% -Même structure -Même valence Solution solide Une phase Cu-Ni Quelque soit la composition Température Solution liquide Mélange liquide+ solide Solution solide Cu-Ni Une seule phase quelque soit la composition Composition Solidification - procédés et simulation du moulage 14 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

15 MISCIBILITÉ PARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ Exemple : Alliage Plomb - 10 % étain A température élevée : La dilatation du réseau du Pb permet à Sn de se substituer au Pb température Dissolution totale de Sn dans Pb A température plus basse : Le réseau du Pb se contracte Solution solide Phase α (Pb-Sn) 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 Deux solutions solides α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb) Solidification - procédés et simulation du moulage 15 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

16 MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ MISCIBILITÉ PARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ Exemple : Alliage Plomb-étain 1) Saturation du réseau du solvant 2) Rejet de l élément en solution 3) Précipitation d une nouvelle phase Solution solide α (Pb-Sn) Deux solutions solides α (Pb-Sn) + β (Sn-Pb) LIMITE DE SOLUBILITÉ ET TEMPÉRATURE 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 16 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

17 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE BINAIRE Diagramme Température Composition de l alliage Le diagramme fournit La constitution de l alliage Nature, Composition, Fraction massique des différentes phases Température T L état d équilibre d un alliage AB est représenté par son point figuratif «P» de coordonnées (C B et T) P Nature : Identification des phases [Phase Pb-Sn (α) ou Sn-Pb(β)] Composition : Quantités relatives des éléments d alliage C B composition Composition massique de l alliage AB de masse totale m C B = mb m + m A B C m B B + m = m A + C = A 1 Fraction massique : Quantités relatives des phases Fraction massique de l alliage AB biphasé (α + β) f α = m α m α + m β f α + f = 1 β Solidification - procédés et simulation du moulage 17 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

18 DIAGRAMME DE PHASES DE DEUX CORPS MUTUELLEMENT SOLUBLES Cuivre et Nickel Solidification - procédés et simulation du moulage 18 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

19 CONSTRUCTION DU DIAGRAMME D ÉQUILIBRE Courbes d analyse thermique d alliages cuivre - nickel Diagramme cuivre - nickel 0% Cu 100 % Ni 1500 Température Composition 40 % Ni 75 % Ni Liquide Liquidus Solidus 100 % Cu 0% Ni 1100 Solide α Temps Cu Composition Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 19 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

20 EXPLOTATION du DIAGRAMME D ÉQUILIBRE Savoir lire un diagramme 1) Pour déterminer la constitution d un alliage à une température donnée (exemple de l alliage Cu-Ni40 à 1250 C) On doit donner : La nature des phases La concentration des phases La proportion des phases 1250 C 2) Pour déterminer les étapes du refroidissement de l alliage (exemple de l alliage Cu-Ni40) Composition 40%Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 20 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

21 ÉTUDE D UN SYSTÈME BIPHASÉ C 0 = 40% Ni CONSTITUTION DE L ALLIAGEL 1) La nature des phases Domaine (L+S) : 1 phase liquide et 1 phase solide α 2) La concentration des phases 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 C L = 32 % Ni Température ( C) L M A B 1250 C P L + α N Liquidus Solidus Phase Solide C S = 45 % Ni Q α C L C C S %Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 21 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

22 ÉTUDE D UN SYSTÈME BIPHASÉ C 0 = 40% Ni 3) La proportion des phases RÈGLE DES SEGMENTS INVERSES f L = m m L = C C S S C C 0 L f L = MP MN f S = * 100 = 61,5% f L = * 100 = ,5% f S ml = m 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 45% Ni 55% Cu 32% Ni 68% Cu C = C 0 S C C Température ( C) L L f S = L M PN MN C L A B 1250 C P L + α Q C 0 Liquidus N C S α Solidus %Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 22 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

23 ÉTUDE D UN SYSTÈME BIPHASÉ C 0 = 40% Ni DÉTERMINER LES ÉTAPES DU REFROIDISSEMENT DE L ALLIAGEL 1 (exemple de l alliage Cu-Ni40) 1 100% de liquide Germination de α à 52 % de Ni 3 Présence de α à 45 % Ni Liquide résiduel à 32%Ni 4 4 Présence de α à 45 % Ni Liquide résiduel à 28%Ni 5 5 Solide α à40 % Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 23 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

24 DIAGRAMMES D ÉQUILIBRE BINAIRE Les différentes configurations possibles dépendent de l «affinité» entre les deux éléments d alliage MISCIBILITÉ À L'ÉTAT LIQUIDE TOTALE TOTALE PARTIELLE À L'ÉTAT SOLIDE TOTALE PARTIELLE PARTIELLE DIAGRAMME EN FUSEAU (ISOMORPHE) DIAGRAMMES EUTECTIQUE PÉRITECTIQUE DIAGRAMMES MONOTECTIQUE SYNTECTIQUE Solidification - procédés et simulation du moulage 24 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

25 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE BINAIRE À LACUNE DE MISCIBILITÉ 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 Liquide Existence d un domaine où A et B ne sont pas infiniment solubles (lacune de solubilité ou de miscibilité) Solide α 1 Solide solide α 2 Solide α 1 + solide α 2 Diagramme à lacune de miscibilité Exemple : Au - Ni Solidification - procédés et simulation du moulage 25 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

26 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE BINAIRE À LACUNE DE MISCIBILITÉ 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 : α C C C - 20 C α 1 + α 2 Solidification - procédés et simulation du moulage 26 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

27 INFLUENCE DU DÉSACCORD ENTRE LES CONSTITUANTS Liquide L Liquide L Liquide L Liquide L Solide α Solide α α β Solide α α 1 +α 2 α+β α 1 +α 2 -Élargissement de la lacune -Contact avec le solidus - Séparation des solutions solides (structure cristalline différente) SYSTÈME EUTECTIQUE Solidification - procédés et simulation du moulage 27 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

28 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE À EUTECTIQUE 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 Deux limites de solubilité maximale M et N T A Liquide L Un palier eutectique MN Un point eutectique E, composition de l alliage de plus bas point de fusion α α M E β N T B α+β β Solidification - procédés et simulation du moulage 28 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

29 LA RÉACTION EUTECTIQUE Exemple du système Pb-Sn À T = T E Liquide eutectique Deux phases solides ( α + β ) L α + β (C E ) (C M ) (C N ) M E N Solidification - procédés et simulation du moulage 29 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

30 LA RÉACTION EUTECTIQUE Exemple du système Pb-Sn À T = T E L α + β (C E ) (C M ) (C N ) M E N α β Proportion de phase α f( α ) = C C N N C C E M f( α ) = EN MN ε α β Proportion de phase β f( β ) C = C E N C C M M f( β ) = ME MN Solidification - procédés et simulation du moulage 30 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

31 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE BINAIRE À EUTECTIQUE Exercice sur les diagrammes 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 : C C C C -20 C Solidification - procédés et simulation du moulage 31 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

32 DIAGRAMME D EQUILIBRE DES ALLIAGES D ALUMINIUM DE FONDERIE (Al Si) Solidification - procédés et simulation du moulage 32 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

33 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 33 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

34 ALLIAGES Al-Si Eutectique α Eutectique β AlSi9MgMn AlSi17 Solidification - procédés et simulation du moulage 34 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

35 ALLIAGES Al-Si α Eutectique aciculaire α Eutectique fibreux AlSi12 Alliage non modifié Alliage modifié au sodium Solidification - procédés et simulation du moulage 35 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

36 EXEMPLE DE DIAGRAMME D ÉQUILIBRE DES PHASES COMPORTANT DES COMPOSÉS INTERMEDIAIRES Alliages cuivre-zinc : Laitons Solidification - procédés et simulation du moulage 36 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

37 DIAGRAMME D EQUILIBRE DES ALLIAGES DE FER LES TRANSFORMATIONS A L ETAT SOLIDE Solidification - procédés et simulation du moulage 37 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

38 ALLIAGES FER CARBONE DIAGRAMME D ÉQUILIBRE Fe Cémentite (Fe 3 C) Austénite 2 Liquide Eutectique Ferrite Eutectoîde Composé Fe 3 C ou cémentitec Solidification - procédés et simulation du moulage 38 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

39 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE Fe - Fe 3 C Phase liquide Solution de C dans Fe liquide Phase δ CC Solution solide interstitielle de C dans Fe (CC). Solubilité maximale : 0,08% C à 1492 C Phase γ (Austénite)CFC 2 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) : Fe 3 C. dure mais fragile Solidification - procédés et simulation du moulage 39 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

40 DIAGRAMME D ÉQUILIBRE Fe - Fe 3 C La réaction eutectique L γ + Fe C ( 43, %) ( 2%) 3 LÉDÉBURITE γ 2 Fe C γ + 3 La réaction eutectoîde γ( 08, %) α( 002, %) + Fe3C PERLITE. α Fe C α + 3 Solidification - procédés et simulation du moulage 40 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

41 LES TRANSFORMATIONS À L ÉTAT SOLIDE des alliages Fe-C Fe Fe CFC CC Liquide Austénite 2 Eutectique γ α + Fe C ( 08, ) ( 002, ) 3 ( 667, ) Ferrite Eutectoîde Composé Fe 3 C ou cémentitec γ γ + (richeenc) (pauvreenc) Fe3C(C ) V Solidification - procédés et simulation du moulage 41 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

42 ACIER EUTECTOIDE Teneur en carbone : 0.8% en poids Grains d austénite La réaction eutectoîde : à 723 C, entre les trois phases principales : ferrite, cémentite et austénite Nucléation de la perlite γ ( 0,8%) α ( 0,02%) + Fe 3 C Croissance de la perlite Rm> 1000 MPa 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. Solidification - procédés et simulation du moulage 42 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

43 ACIER HYPOEUTECTOIDE Grains d austénite γ Germination de la phase α sur les joints de grains de γ γ α Perlite Croissance de la phase α au détriment de γ α Rm # 600 MPa La phase γ atteint la composition de l eutectoïde. Elle se transforme en perlite Fe C α + 3 Solidification - procédés et simulation du moulage 43 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

44 ACIER HYPEREUTECTOIDE γ Fe C γ + 3 α Fe C α + 3 Perlite Solidification - procédés et simulation du moulage 44 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

45 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 L4,3% γ + Fe3C α + Fe 3 C γ + Fe 3 C Le mélange est appelé : Lédéburite c) Transformation eutectoïde γ 0,8% α + Fe 3 C α + Fe 3 C Le mélange est appelé : Perlite Solidification - procédés et simulation du moulage 45 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

46 FONTE HYPOEUTECTIQUE Refroidissement rapide Fonte blanche hypoeutectique Perlite Lédéburite Solidification - procédés et simulation du moulage 46 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

47 FONTE HYPOEUTECTIQUE Refroidissement lent γ γ a) Formation d austénite à partir du liquide b) Transformation eutectique L 4,3% γ + C γ c) Transformation eutectoïde 0,8% α + Fe 3 C Perlite Perlite + graphite Ferrite + graphite si Silicium élevé Solidification - procédés et simulation du moulage 47 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

48 FONTE HYPOEUTECTIQUE Refroidissement lent Fonte grise hypoeutectique Perlite Graphite Solidification - procédés et simulation du moulage 48 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

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