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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 d Les diagrammes d ’é ’é quilibre de phases quilibre de phases - - Les principaux alliages de fonderie Les principaux alliages de fonderie - - Lois de la solidification des m Lois de la solidification des m é é taux et alliages taux et alliages - - D D é é fauts de fonderie fauts de fonderie - - Les proc Les proc é é d d é é s de fonderie s de fonderie - - Le contrôle du moulage Le contrôle du moulage - - la simulation du moulage la simulation du moulage MASTER MAM

Diagrammes d'équilibre

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Page 1: Diagrammes d'équilibre

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

Page 2: Diagrammes d'équilibre

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 - alliageConstruction et utilisation des diagrammes de phasesExemples de diagrammes

SOLIDIFICATION DES MÉTAUX ET ALLIAGES

Lois de la solidification : germination et croissanceStructures de solidification

LE MOULAGE Procédés de moulageContrôle du moulage : systèmes de remplissage et d’alimentation

LES BASES THÉORIQUES DE LA SIMULATION

Équations de conservationMéthode numériqueMaillage et discrétisation

Interface et menus Objet de la simulationLes étapes de la simulationLes processus simulés

ESSAIS DE SIMULATIONLOGICIEL DE SIMULATION « PAM-CAST »

Méthodologie, base de données, paramètresEssai completInfluence des paramètres de fonderieAnalyse des résultats

DÉFAUTS DE SOLIDIFICATION Origine des défautsRemèdes

PRINCIPAUX ALLIAGES DE FONDERIE

Alliages ferreux : fontesAlliages non ferreux : base Al, base Mg, base Cu, base Zn

Page 3: Diagrammes d'équilibre

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

BIBLIOGRAPHIEBIBLIOGRAPHIE

SOLIDIFICATION

M.C FLEMINGS : Solidification processing ‒Mc GrawHill 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

Page 4: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 4 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

DIAGRAMMES D’EQUILIBRE

DES PHASES

Page 5: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 5 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

STRUCTURE GRANULAIRE DES METAUX

ELABORATION PAR FUSION ET SOLIDIFICATIONNOTION DE PHASE

À T > TfusionMétal liquide

À T < TfusionGermination

du solide

Une phase liquide Coexistence de deux phases- Une phase liquide- une phase solide

Germe

Cas d’un métal pur

Page 6: Diagrammes d'équilibre

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 SOLIDIFICATIONCroissance du solide –Cristal - grain

Poursuite du refroidissement

Croissance du solide

Fin de la solidificationAgrégat de cristaux jointifs

POLYCRISTAL

2 PHASES 2 PHASES

UNE SEULE PHASE SOLIDEPLUSIEURS CRISTAUX OU GRAINS

Page 7: Diagrammes d'équilibre

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

Page 8: Diagrammes d'équilibre

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

CristauxGrainsParticulesDendrites

Grains de fer pur

Acier biphasé

ferrite et cémentite lamellaire

Page 9: Diagrammes d'équilibre

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 eutectoïdebiphasé : ferrite + carbures

ferrite et cémentite lamellaire ferrite et cémentite globulaire

dendrites, polyèdres, lamelles, sphéroïdes, lentilles, aiguilles, plaquettes, lattes

FormeTailleRépartitionOrientation

Page 10: Diagrammes d'équilibre

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

Page 11: Diagrammes d'équilibre

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

Page 12: Diagrammes d'équilibre

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

CuPb

SOLUBILITÉ LIMITÉEMISCIBILITÉ PARTIELLE

TOTALEMENT NON MISCIBLES

SOLUBILITÉ ILLIMITÉEMISCIBILITÉ TOTALE

SOL

UT

ION

LIQ

UID

ESO

LU

TIO

NSO

LID

E

Page 13: Diagrammes d'équilibre

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 solideFe-C (C<0,01%)

Tout le carbone est dissous dans le fer

MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ

Page 14: Diagrammes d'équilibre

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 – NickelAlliages Nickel - cuivre

Solution liquide

Solution solide Cu-NiUne seule phase quelque soit la composition

Mélange liquide+ solide

Tem

péra

ture

Composition

Solution solideUne phase Cu-Ni

Quelque soit la composition

Page 15: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 15 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

MISCIBILITMISCIBILITÉÉ PARTIELLEPARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ

Solution solidePhase α (Pb-Sn)

Deux solutions solidesα (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

tem

péra

ture

Page 16: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 16 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

MISCIBILITÉ PARTIELLE - LIMITE DE SOLUBILITÉ

Solution solideα (Pb-Sn)

Deux solutions solidesα (Pb-Sn) + β (Sn-Pb)

LIMITE DE SOLUBILITÉ ET TEMPÉRATURE

MISCIBILITÉ - SOLUBILITÉ

Exemple : Alliage Plomb-étain

1) Saturation du réseau du solvant2) Rejet de l’élément en solution3) Précipitation d’une nouvelle phase

1/ La limite de solubilité augmente avec la température2/ La courbe de solubilité T-%composition s'appelle SOLVUS3/ L’ensemble des limites de solubilité et des limite de transformations de phases forme le diagramme d’équilibre des phases

Page 17: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 17 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

La constitution de l’alliage

Nature, Composition, Fraction massique Nature, Composition, Fraction massique des diffdes difféérentes phasesrentes phases Te

mpé

ratu

re

composition

P

CB

T

Composition massique de l’alliage AB de masse totale m

BA

BB mm

mC

+

=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

αα mm

mf

+

=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

Page 18: Diagrammes d'équilibre

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

Page 19: Diagrammes d'équilibre

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

Tem

péra

ture

Temps

100 % Cu0% Ni

40 % Ni

Compo

sition

75 % Ni

0% Cu100 % Ni

Cu Ni20 40 60 80

1100

1200

1300

1400

1500

Liquidus

Solidus

Solide α

Liquide

Diagramme cuivre - nickel

Page 20: Diagrammes d'équilibre

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 phasesLa concentration des phasesLa proportion des phases

Page 21: Diagrammes d'équilibre

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 MPN3) 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

Tem

péra

t ure

(°C

)

A

32 4540

1250 °C

L + α

CLCS

B

P

Q

Liquidus

M N

C0

L

Solidus

α

CONSTITUTION DE LCONSTITUTION DE L’’ALLIAGEALLIAGE

Page 22: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 22 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

%Ni

Tem

péra

t ure

(°C

)

A

32 4540

1250 °C

L + α

CLCS

B

P

Q

Liquidus

MN

C0

L

Solidus

α

RÈGLE DES SEGMENTS INVERSES LS

0SLL C C

C C mm f

−−

==

LS

L0LS C C

C C mm f

−−

==

MNMP f L =

MNPN f S =

3) La proportion des phases3) La proportion des phases

%5,61 100 * 32 4532 40 f S =

−−

=

%5,38 100 * 32 4540 45 f

L=

−−

=

Ainsi, dans 100 g d’alliage, il y a :61, 5 g d’alliage liquide contenant 32 % de Ni et 68 % de Cu38,5 g d’alliage solide contenant 45 % de Ni et 55 % de Cu

32% Ni68% Cu

45% Ni55% Cu

ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni

Page 23: Diagrammes d'équilibre

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 % NiLiquide résiduel à 32%Ni

Présence de α à 45 % NiLiquide résiduel à 28%Ni

Solide α à 40 % Ni

1

2

3

4

5

ÉTUDE D’UN SYSTÈME BIPHASÉ C0 = 40% Ni

DDÉÉTERMINER LES TERMINER LES ÉÉTAPES DU TAPES DU REFROIDISSEMENT DE LREFROIDISSEMENT DE L’’ALLIAGEALLIAGE

Page 24: Diagrammes d'équilibre

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 possiblesdépendent de l’ « affinité » entre les deux éléments d’alliage

Page 25: Diagrammes d'équilibre

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 àbasse 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 solubilitéou de miscibilité)

Diagramme à lacune de miscibilitéExemple : Au - Ni

Solide

Solide α1 + solide α2

DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE BINAIRE À LACUNE DE MISCIBILITÉ

Liquide

Solide α1

solide α2

Page 26: Diagrammes d'équilibre

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 BINAIREÀ LACUNE DE MISCIBILITÉ

Page 27: Diagrammes d'équilibre

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

Page 28: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 28 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE À EUTECTIQUE

Liquidus

Solidus

CEAlliages 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 solubilitémaximale M et N

Un palier eutectique MN

Un point eutectique E, composition de l’alliage de plus bas point de fusion

Solution solidede première espèce

Liquide L

L+βSolide α

Solide β

Si A et B sont différents

Formation de 2 solutions solides αet β (dites de première espèce)à basse température- de symétrie différente- de composition différente

Existence de limites de solubilité de A dans Bet de B dans A

Page 29: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 29 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

LA RÉACTION EUTECTIQUE

)(C)(C)(C NMEβα L +⇔

À T = TE

MNE

Exemple du système Pb-Sn

) ( βα +⇔ solidesphasesDeuxeutectiqueLiquide

Page 30: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 30 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

LA RÉACTION EUTECTIQUE

)(C)(C)(C NMEβα L +⇔À T = TE

Constitution de l’eutectique à TE-ε : deux phases α et β

MN

E

Exemple du système Pb-Sn

Eutectique lamellaire

MN

EN

CCCC)f(

−−

=αMNEN

=)f(α

MN

ME

CCCC)f(

−−

=βMNME

=)f( β

Proportion de phase β

α β

Proportion de phase α

Page 31: Diagrammes d'équilibre

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

Page 32: Diagrammes d'équilibre

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)

Page 33: Diagrammes d'équilibre

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% SiTempérature : 577°C

Limite de solubilité du Si dans Al : 1,6%Limite de solubilité de Al dans Si : 0%

Page 34: Diagrammes d'équilibre

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

Page 35: Diagrammes d'équilibre

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

Page 36: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 36 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

EXEMPLE DE DIAGRAMME D’ÉQUILIBRE DES PHASESCOMPORTANT DES COMPOSÉS INTERMEDIAIRES

Alliages cuivre-zinc :Laitons

Page 37: Diagrammes d'équilibre

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

Page 38: Diagrammes d'équilibre

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

EutectoEutectoîîdedeComposComposéé FeFe33CCou cou céémentitementite

LiquideLiquide

AustAustéénitenite

FerriteFerrite

Page 39: Diagrammes d'équilibre

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

Page 40: Diagrammes d'équilibre

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 appeléLÉDÉBURITE. 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 appeléPERLITE. 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

Page 41: Diagrammes d'équilibre

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⇔

2EutectiqueEutectique

EutectoEutectoîîdedeComposComposéé FeFe33CCou cou céémentitementite

LiquideLiquide

AustAustéénitenite

FerriteFerrite

Page 42: Diagrammes d'équilibre

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.

CFe 3%)02,0(%)8,0( +⇔ αγ

La réaction eutectoîde : à 723 °C, entre les trois phases principales : ferrite, cémentite et austénite

Rm>1000 MPa

Page 43: Diagrammes d'équilibre

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

Fe3CFe Cα + 3

Grains d’austénite γ

α

Perlite

Rm #600 MPa

Page 44: Diagrammes d'équilibre

Solidification - procédés et simulation du moulage 44 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

ACIER HYPEREUTECTOIDE

Fe Cγ + 3γ

αFe3C

Fe Cα + 3

Fe3C

Perlite

Page 45: Diagrammes d'équilibre

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 mélangeest appelé : Lédéburite

CFe3+γ

c) Transformation eutectoïde

CFe3%8,0 +⇒αγ

Refroidissement rapide

CFe3+αLe mélange est appelé : Perlite

CFe3+α

Page 46: Diagrammes d'équilibre

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

Page 47: Diagrammes d'équilibre

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 + graphitesi Silicium élevé

FONTE HYPOEUTECTIQUE

Page 48: Diagrammes d'équilibre

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