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Auteur(s)
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Michel SUERY : Docteur ès Sciences - Directeur de recherche au Centre National de la Recherche Scientifique - Directeur du laboratoire Génie Physique et Mécanique des Matériaux à l’Institut National Polytechnique de Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
La mise en forme des alliages à partir de l’état liquide peut être réalisée selon différents procédés ayant tous en commun le fait que l’alliage doit être coulé liquide à une température suffisante pour permettre le remplissage correct du moule. Il en résulte alors souvent des problèmes aigus de ségrégation, d’apparition de porosités et de formation de retassures. La mise en forme à une température plus basse, à partir d’un état déjà partiellement solidifié, semble, a priori, très intéressante ; elle se heurte cependant au caractère dendritique de la solidification qui fait que l’alliage ne peut être coulé avec succès dans un moule dès que la fraction volumique solidifiée dépasse 20 à 30 % environ. Cet état ne peut davantage subir de déformations importantes sans apparition de fissures et ségrégation de la phase liquide. Des travaux menés au MIT (Massachusetts Institute of Technology) dans les années 70 ont montré qu’un brassage mécanique intense du liquide en cours de solidification peut empêcher la formation de cette structure dendritique et conduire ainsi à une gelée semi-solide à viscosité relativement faible, susceptible d’être mise en forme dans cet état. Les premiers travaux furent rapidement mis à profit pour appliquer la technique à des alliages ferreux dans le cadre de programmes supportés par le gouvernement américain. La faisabilité de la mise en forme semi-solide fut ainsi démontrée, non seulement par moulage par injection de la gelée produite par brassage, mais aussi par moulage de billettes semi-solides obtenues par refusion partielle de barres ou de lingots préalablement solidifiés à partir de la gelée.
Depuis, des progrès importants ont été réalisés, notamment en ce qui concerne l’utilisation d’un brassage électromagnétique pour l’obtention de la gelée. D’autres procédés de mise en forme à l’état semi-solide (forgeage, laminage, extrusion) ont pu être développés.
Le rhéoformage désigne l’ensemble des procédés de mise en forme appliqués aux alliages dans l’état semi-solide obtenu au cours de la solidification.
Le thixoformage désigne l’ensemble des procédés de mise en forme appliqués aux alliages dans l’état semi-solide obtenu au cours d’une refusion partielle.
Les pourcentages entrant dans la composition des alliages sont, sauf précision contraire, des pourcentages massiques.
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- Version archivée 1 de oct. 1985 par Michel SUERY
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Mise en forme à partir de l’état semi-solide2. Rhéologie
2.1 Propriétés des matériaux brassés en cours de solidification
Les propriétés rhéologiques des alliages brassés en cours de solidification ont été évaluées en considérant essentiellement deux grandeurs reliées à leurs caractéristiques structurales : la viscosité dynamique apparente (du liquide équivalent), qui est un paramètre physique mesurant la résistance à l’écoulement d’un fluide soumis à un cisaillement (brassage), et la fluidité, qui est un paramètre technologique caractérisant l’aptitude du métal à remplir un moule, généralement mesurée par la longueur parcourue dans une conduite donnée et sous une pression donnée par un alliage avant sa solidification complète.
Des études effectuées sur différents alliages ont permis d’établir des relations entre les différents paramètres (figures 8 et 9) :
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au niveau du liquidus, la viscosité de l’alliage est très faible (généralement quelques 10–3 Pa · s) ; elle augmente ensuite lentement, puis de plus en plus rapidement au fur et à mesure de l’augmentation de la fraction volumique de phase solide, pour atteindre des valeurs de l’ordre de quelques pascals-secondes pour des fractions solides de 50 à 60 % (figure 8) ; parallèlement, la fluidité diminue et elle n’est plus que de 40 % environ de la fluidité du liquide pour des fractions solides de 50 à 60 % (figure 9) ;
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pour une vitesse de refroidissement donnée, la viscosité apparente décroît lorsque la vitesse de cisaillement moyenne augmente ; parallèlement, on observe une augmentation de la fluidité ;
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la viscosité apparente diminue également avec la vitesse de cisaillement lorsque l’alliage est brassé en condition isotherme pour des fractions volumiques de phase solide identiques ;
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de plus, une diminution de la vitesse de refroidissement entraîne une très forte diminution de la viscosité apparente, celle-ci devenant encore plus faible si l’alliage est brassé en condition isotherme pour la même vitesse de cisaillement moyenne.
Ces résultats concernant les propriétés...
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