Solidification - Cristallisation et microstructures

En ce qui concerne l’élaboration des métaux, les opérations de coulée portent sur des quantités considérables : chaque année, dans le monde, près d’un milliard de tonnes de métal sont solidifiées, en premier lieu des alliages ferreux (aciers et fontes), en second lieu des alliages d’aluminium.

• Les produits et demi‐produits ainsi obtenus par solidification doivent répondre à des exigences de qualité : absence de gros défauts internes tels que retassures et porosités, absence de fortes hétérogénéités chimiques à l’échelle du produit (ségrégations majeures), pour certaines pièces moulées : absence de microporosités mal réparties, pour de nombreux demi‐produits : aspects de surface, etc. Les retassures, exemple typique de défaut à l’échelle du produit hérité de la solidification, sont fortement influencées par la nature du procédé mettant en jeu la solidification et par les conditions opératoires choisies pour un même procédé ; il en est de même pour les criques, pour la texture des grains (colonnaire ou équiaxe), pour la taille des grains, pour les microporosités, pour les ségrégations majeures, etc. La dernière partie de cet article : Macrostructures et qualité des produits Solidification- Macrostructures et qualité des produits est donc consacrée à la présentation des aspects des produits coulés et des phénomènes liés à la solidification pour laquelle la prise en compte des effets d’échelle est indispensable.

• De fait et avant tout, les produits métalliques bruts de coulée, traités thermiquement ou même transformés, sont fabriqués pour leurs propriétés finales : aptitude à l’homogénéisation chimique, aptitude à la déformation (emboutissage, etc.), propriétés mécaniques, résistance à la corrosion, etc. Ces propriétés dépendent le plus souvent de la structure de solidification à petite échelle, celle de la dendrite (entre 10 µm et 1 mm) ; cela est vrai non seulement pour les produits bruts de coulée mais également pour les produits ayant subi des traitements thermiques ou un corroyage. Pour connaître l’influence de l’étape de solidification sur les propriétés des produits métalliques, il faut établir des corrélations avec les caractères microstructuraux du métal coulé, à savoir principalement : la dimension du grain de coulée, la finesse des ramifications dendritiques, la nature du premier solide formé (ferrite ou austénite pour les aciers), la nature et l’intensité des ségrégations chimiques, la présence de microretassures, microsoufflures ou inclusions. Le développement et la maturation des structures dendritiques d’une part, le développement et l’homogénéisation des microségrégations avec leur cortège de phases mineures d’autre part, sont l’objet essentiel du deuxième paragraphe de cet article. Dans cette partie, le développement et le contrôle des structures eutectiques des alliages de fonderie y tiennent une place à part, du fait de l’importance des moyens d’actions qui leur sont spécifiques (traitement au magnésium pour les fontes à graphite sphéroïdal, modification par le sodium pour les alliages Al‐Si).

• En dernier ressort, ce sont les propriétés physico‐chimiques des alliages métalliques liquides et des solides, cristallisés ou non, ainsi que celles des interfaces liquide/solide correspondantes qui contrôlent le déroulement de la solidification à l’échelle du micromètre, voire à l’échelle atomique. Le premier paragraphe de ce texte est donc consacré à la présentation des propriétés physico‐chimiques et des processus élémentaires auxquels il sera souvent fait référence dans le deuxième paragraphe, voire même dans la dernière partie Macrostructures et qualité des produits Solidification- Macrostructures et qualité des produits.