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Gérard LESOULT : Professeur à l’École Nationale Supérieure des Mines de Nancy - Ingénieur Civil des Mines
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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.
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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 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.
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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).
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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 .
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2. Solidification à l’échelle de la dendrite et du grain de coulée
Que la texture du métal coulé soit colonnaire ou équiaxe, son élément de base à l’échelle du centimètre ou du millimètre (exceptionnellement du 1/10 mm) est le grain . L’observation la plus courante d’une coupe métallographique de lingot d’acier, d’alliage léger ou de pièce moulée en superalliages, permet de distinguer un réseau périodique à deux dimensions à l’intérieur de chaque grain, de période moyenne comprise, le plus souvent, entre 50 et 500 µm (figure 9) : c’est le réseau dendritique. La structure dendritique, véritable élément de base à l’échelle des 100 µm, correspond à des hétérogénéités chimiques : la ségrégation mineure.
On définit le taux de ségrégation comme le rapport :
avec :
- we :
- titre massique du soluté mesuré dans les espaces interdendritiques (là où il est maximal si le coefficient de partage à l’équilibre
est inférieur à 1)
- wa :
- titre massique du soluté dans les axes des dendrites.
La concentration de certaines espèces peut être si élevée dans les espaces interdendritiques que des phases de compositions très différentes, souvent avec des structures cristallines différentes peuvent être observées : carbures, oxysulfures, eutectiques divers, sans compter les porosités gazeuses.
La concentration d’impuretés ou la formation de phases mineures non souhaitées dans les régions interdendritiques du métal coulé entraînent...
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Solidification à l’échelle de la dendrite et du grain de coulée
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MURR (L.E.) - Interfacial phenomena in metals and alloys. - Addison Wesley Publishing Company (1975).
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(3) - KURZ (W.), FISCHER (D.J.) - Dendrite growth at the limit of stability : tip radius and spacing. - Acta Metal, vol. 29, p. 11 à 20 (1981).
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(5) - JACKSON (K.A.), HUNT (J.D.) - Lamellar and rod eutectic growth. - Trans. Metall. Soc. AIME, vol. 236, p. 1129-42, août 1966.
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(6) - KURZ (W.), FISHER (D.J.) - Dendrite growth in eutectic alloys : The coupled zone. - Int. Met. Rev., no 5 et 6, p. 177-204...
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