SOLIDIFICATION GENERALITES

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1 Cours Matériaux 2005 SOLIDIFICATION GENERALITES Jean-Marc HAUDIN CEMEF

2 PLAN 1. INTRODUCTION 2. LES MATERIAUX DE DEPART 3. DESCRIPTION DE PROCEDES TYPES 4. PROBLEMES SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES

3 1. INTRODUCTION - ELABORATION : création du matériau et formulation - TRANSFORMATION/MISE EN ŒUVRE/MISE EN FORME (FORMING/PROCESSING) - MISE EN FORME A PARTIR DE L ETAT LIQUIDE, PATEUX, PULVERULENT SOLIDIFICATION FORME DEFINITIVE OU NOUVELLE TRANSFORMATION

4 2. LES MATERIAUX DE DEPART - METAUX état liquide : acier du convertisseur + métallurgie secondaire (dite en poche) état pâteux : entre liquidus et solidus état pulvérulent : avec ou sans liant organique - POLYMERES thermoplastiques : poudre ou granulés, qui vont être fondus (semi-cristallins) ou plastifiés (amorphes) thermodurcissables : solutions, «sirops», poudres à mouler

5 - CERAMIQUES briques, tuiles, poteries: argile, flux (cuisson), charge (retrait après cuisson) + eau qui plastifie verres : silice, fondants (abaissement du point de fusion), verre recyclé (calcin) Fusion ciments : chaux, argile (Portland) ou alumine + eau pour la mise en œuvre bétons : pâte de ciment durcie, sable et granulats + eau céramiques techniques : poudres avec ou sans liant organique - MATIERES AGRO-ALIMENTAIRES amidon + eau

6 III- DESCRIPTION DE PROCEDES TYPES - PROCEDES CONTINUS - PROCEDES DISCONTINUS

7 PROCEDES CONTINUS - PROCEDES DE COULEE coulée continue de l acier procédé «Float glass» - L EXTRUSION la cuisson extrusion de l amidon

8 COULEE CONTINUE DE L ACIER

9 VERRE PLAT : LE PROCEDE FLOAT

10 L EXTRUSION EXTRUDEUSE BIVIS POUR LA CUISSON EXTRUSION DE L AMIDON

11 PROCEDES DISCONTINUS - MOULAGE - FONDERIE à moule perdu à moule permanent - MOULAGE PAR INJECTION - SOUFFLAGE

12 MOULAGE A MOULE PERDU

13 MOULAGE A MOULE PERMANENT

14 MOULAGE PAR INJECTION SOUS PRESSION PROCEDES PIM (Powder Injection Molding) ou MIM (Metal Injection Molding)

15 SOUFFLAGE SOUFFLAGE DE BOUTEILLES DE VERRE (1)

16 SOUFFLAGE SOUFFLAGE DE BOUTEILLES DE VERRE (2)

17 IV- PROBLEMES SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES Le rôle du matériau - la viscosité et sa thermodépendance - loi de comportement - propriétés thermiques - mécanismes de solidification

18 NOTION DE VISCOSITE FLUIDITE/COULABILITE VISCOSITE CISAILLEMENT SIMPLE Contrainte : Vitesse de déformation : Viscosité : τ = ) / 6 η = τ / γ γ = 8 / K (cission) (taux de cisaillement) (en Pa.s)

19 VISCOSITE Quelques ordres de grandeur : métal fondu : D V polymère fondu : DV à faible γ poudre avec liant : 250 3DVà 100 s -1 verres : DV dans la zone de mise en forme

20 THERMODEPENDANCE DE LA VISCOSITE L EXEMPLE DES VERRES

21 LE ROLE DE LA VISCOSITE - Importance des forces de viscosité par rapport aux forces d inertie et de masse Re = ρ9k η 1 = ρ η J/K 9 ρ masse volumique, 9 vitesse, K dimension caractéristique de l écoulement, / longueur ou hauteur de l écoulement, J accélération de la pesanteur - Puissance dissipée 2 : = ηγ AUTO-ECHAUFFEMENT - Dimensionnement des outillages, puissance des moteurs

22 QUELQUES COMPORTEMENTS - Newtonien : τ = η( γ ) - Newtonien généralisé : τ = η( γ, 7 ) γ dont pseudoplastique τ =.( 7 ) γ P - Newtonien avec seuil (Bingham) : τ τ. γ = + - Pseudoplastique avec seuil (Herschel-Bulkley) : Gσ - Viscoélastique (Maxwell) : σ + θ = 2ηε GW R = + τ τ. γ R P 6,08/$7,21180(5,48('(6352&('(6

23 ROLE DE LA MASSE ET D INERTIE Effet de vague lors du remplissage d un moule par un métal liquide

24 PARAMETRES THERMIQUES Paramètres clés conductivité :N diffusivité : D NρF effusivité : E = NρF Conséquences temps de chauffage et de refroidissement : 10 s pour 1cm d acier et 1000 s pour 1cm de polymère température d interface : E E L = E1 + E2 exemple : 199 C pour une interface air 20 C polymère 200 C

25 MECANISMES DE SOLIDIFICATION Vitrification: verres, thermoplastiques amorphes Réticulation: thermodurcissables Cuisson expansion de l amidon: évaporation de l eau Cuisson des briques: formation d une phase vitreuse Prise des ciments: réactions chimiques Densification des poudres: frittage CRISTALLISATION

26 EXPANSION DE L AMIDON

27 FRITTAGE

28 CRISTALLISATION Transition thermodynamique du premier ordre Germination : homogène ou hétérogène Croissance : diffusion ou mécanisme interfacial Cinétique globale : fraction volumique cristallisée OU fraction volumique transformée en entités morphologiques d une forme donnée (sphères en 3D) LOI d AVRAMI &HVGHX[QRWLRQVQHVRQWpTXLYDOHQWHVTXHSRXUXQ PDWpULDXFULVWDOOLQ

29 LOI d AVRAMI Forme générale α(t) = 1 - exp [- α (t)] α (t) fraction volumique fictive, correspondant au cas où les entités peuvent apparaître et croître indépendamment les unes des autres Forme simplifiée α(t) = 1 exp [-kt n ]

30 RAPPEL: DIAGRAMME EUTECTIQUE

31 MORPHOLOGIES 62/87,2162/,'( /2*,(6 (87(&7,48(6

32 INFLUENCE DE LA MISE EN FORME

33 DEFAUTS DE SOLIDIFICATION - Hétérogénéités de concentration Ségrégation mineure (dendrite) Ségrégation majeure (échantillon) - Retassures: vides - Criques: fissures - Contraintes résiduelles

34 SEGREGATIONS Mineure Majeure

35 REMEDES AUX RETASSURES Masselotte et refroidisseur(masses métalliques, ailettes) Alimentation sous pression

36 FORMATION D UNE CRIQUE

37 FORMATION DES CONTAINTES RESIDUELLES