m380

Toute reproduction sans a

M 3

80

4 -

1989

Proprits des fontes grises ordinaires

par Jean-Claude MARGERIEIngnieur de lcole Polytechnique,Chef du Dpartement de la Mtallurgieau Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF)

1. Constitution des fontes ......................................................................... M 380 - 21.1 Solidification et transformations ltat solide des fontes...................... 21.2 Proprits et rle des constituants............................................................. 71.3 Facteurs dterminant la structure et les proprits.................................. 10

2. Caractristiques mcaniques ............................................................... 162.1 Caractristiques mcaniques fondamentales ........................................... 17utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 1

e but essentiel de cet article est de dfinir la nature et les proprits des fontes graphite lamellaire, non allies ; ces fontes, dites en langage courant fontes

ordinaires, ne constituent pas seulement les pices moules qui font lobjet dela norme NF A 32-101 (juin 1987) ; elles ont des applications plus larges encore.Les gnralits initiales se rapporteront bien entendu en grande partie lensemble des fontes, y compris les fontes spciales (fontes mallables, fontes graphite sphrodal, fontes allies) ; de mme, ltude des proprits inclura,en vue de faciliter les comparaisons et pour bien montrer lunit profonde dela famille des fontes, des rappels touchant les fontes spciales ; mais cest dansles articles Proprits des fontes graphite nodulaire [M 390] et Fontes spcialesallies [M 400] que lon trouvera les renseignements spcifiques concernant cesdernires.

2.2 Autres caractristiques statiques ............................................................... 262.3 Caractristiques dynamiques ..................................................................... 27

3. Proprits mcaniques dutilisation................................................... 303.1 Notions et critres dusinabilit.................................................................. 303.2 Rsistance lusure. Tenue au frottement ................................................ 323.3 Proprits lastiques et plastiques ............................................................ 34

4. Variation des proprits mcaniques avec la temprature ......... 384.1 Influence de la chaleur sur la structure des fontes ................................... 394.2 Caractristiques mcaniques aux tmpratures leves......................... 394.3 Rsistance aux chocs thermiques .............................................................. 414.4 Caractristiques aux basses tempratures................................................ 42

5. Proprits dutilisation diverses.......................................................... 435.1 Rsistance aux corrosions .......................................................................... 435.2 Proprits lectriques et magntiques ...................................................... 445.3 Caractristiques physiques diverses.......................................................... 465.4 Aptitude aux traitements superficiels ........................................................ 475.5 Assemblage dlments en fonte entre eux ou dautres matriaux .... 47

6. Conclusion ................................................................................................. 48

Rfrences bibliographiques ......................................................................... 49

L

PROPRITS DES FONTES GRISES ORDINAIRES ______________________________________________________________________________________________

TouteM 380 2

Quand il sagit dtudier les proprits et plus particulirement les caractris-tiques mcaniques des fontes, on doit toujours avoir prsent lesprit quellesdpendent beaucoup plus directement de la structure de lchantillon ou de lapice examins que de sa composition chimique.

Il suffira pour illustrer cette affirmation de rappeler qu partir dune mmepoche de coule on peut obtenir, en jouant sur la vitesse de refroidissement dansle moule (cest--dire par exemple sur lpaisseur des pices coules), toute lavarit des structures allant depuis la fonte blanche (duret Brinell de lordrede 400) jusqu la fonte grise graphite grossier (duret Brinell infrieure 150).

Ce sont donc beaucoup plus les caractristiques structurales que les caract-ristiques chimiques quil y a lieu de considrer dans ltude des proprits utilesdes fontes.

De ce point de vue, nous dfinissons donc les fontes comme des alliagesferreux mouls, drivs du systme fer-carbone, et contenant effectivement deleutectique (plus ou moins dgnr dailleurs) comme constituant ou agrgatidentifiable aprs la solidification.

Cela revient en pratique les considrer comme des aciers (relativementimpurs) suffisamment riches en carbone pour que le graphite ou les carburesen excs ne puissent tthermique, hormis la f

Si le carbone eutectblanche ; sil est prsemdiaires la fonte est

On apprcie donc mde structure portant su

la forme, la rpartiA 32-100, juillet 1967) o

la nature de la masulfures, ....) ;

le grain macroscofer-graphite.

Avant daborder la dtudier en dtail danschimiques et mtallurgtion des fontes moule

1. Constitut

1.1 Solidification ltat solide

1.1.1 Diagrammes d

Nota : les compositions chimique

On pourra galement consulter [M 70] et Alliages ternaires [M 76] de

Le double diagramme dlobjet de trs nombreux tr

La solidification selon le sde formation des structurlement dans des rgions det structures carburiques, pse former indirectement pa

Les tracs des diagramconsquent dune importanOn les reprsente soit spagraphique (figure 3).

La dtermination exprimentale du premier (figure 1) prsente la reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

ion des fontes

et transformations des fontes

quilibre fer-carbone

s sont exprimes en pour-cent (%) en masse.

les articles Diagrammes dquilibre. Alliages binaires ce trait.

tat binaire Fe-C a fait et fait encore avaux.

ystme fer-graphique est le mode normales graphitiques, bien quexceptionnel-e transition entre structures graphitiquesar exemple le graphite puisse paratrer dcomposition de la cmentite [1].

mes Fe-Fe3C et fer-graphite sont parce pratique et thorique fondamentale.

rment (figures 1 et 2), soit sur un mme

difficult due au fait que le carbure Fe3C est une phase mtastable.Toutefois, on sait que la courbe de liquidus correspondante aboutitau point D (C = 6,67 % ; = 1 252 oC), valeur obtenue par calculthermodynamique.

La dtermination exprimentale du second diagramme (figure 2)prsente une incertitude diffrente due la sgrgation du graphitepar densit dans le voisinage du liquidus hypereutectique ; on peuttoutefois estimer que la courbe de saturation correspondante, beau-coup plus incline que dans le diagramme mtastable, passe parle point D (C = 6 % ; = 1 790 oC).

Bien entendu les deux diagrammes ont en commun les partiesne mettant en jeu ni le graphite ni la cmentite (figure 3), la thermo-dynamique montre que les courbes de dpt de graphite sont nces-sairement gauche des courbes de dpt de cmentite ; il en rsulteque les tempratures et compositions des deux eutectiques sontlgrement diffrentes :

eutectique graphique : C = 4,25 %, = 1 153 oC ; eutectique carburique : C = 4,30 %, = 1 147 oC.re remis en solution dans la matrice par aucun traitementusion.ique est combin sous forme de cmentite la fonte estnt ltat de graphite, elle est grise ; dans les cas inter-truite.tallographiquement la qualit dune fonte par un examenr :

tion et les dimensions des particules de graphite (fasciculeu ventuellement de carbures libres ;trice et des constituants inclus (eutectique phosphoreux,

pique correspondant la forme cellulaire de leutectique

escription et linterprtation des proprits, nous allons un premier paragraphe les phnomnes physiques,iques gnraux qui dfinissent et contrlent la constitu-s.

_____________________________________________________________________________________________ PROPRITS DES FONTES GRISES ORDINAIRES


Leutectique de chaque systme comprphase laustnite (fer et carbone en solutionseconde phase le graphite ou la cmentite. systme stable est fortement dissymtriqumtastable est presque symtrique :

Ces proportions, approximatives, laissmorphologies nettement diffrentes pour le

1.1.1.1 Diagramme mtastable Fe-Fe3C

1.1.1.1.1 tude du refroidissement dunhypoeutectique (systme mt

On suppose que le dbut du refroidissemcoule, se situe la temprature de 1 400 o

la figure 1. cet instant, lalliage comprend une

homogne 3 % de carbone ; jusquau poinliquidus, vers 1 300 oC, il se refroidit sans c

Figure 1 Diagramme mtastable Fe-Fe3C

Pourcentage

Fig

Eutectiquegraphitique(% graphite)

En masse................. 2,3En volume ............... 7,7

Figure 2 Diagramme stable fer-graphiteutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 3

end comme premire interstitielle) et commeLa figure eutectique due, tandis que celle du

(0)

ent dj prvoir dess deux structures.

alliage astable)ent, correspondant laC, soit au point m0 sur

seule phase liquidet de rencontre avec le

hangement.

En m1 , la solidification commence ; une solution solide se dposesous forme de dendrites dont la teneur en carbone est celle dupoint C2 (environ 1,3 % de C).

Entre 1 300 et 1 147 oC (horizontale EF ), la solidification sepoursuit ; les dendrites spaississent par dpt de couches succes-sives de plus en plus riches en carbone, au dtriment de la phaseliquide qui senrichit galement en carbone. La diffusion du carbonetant trs rapide, la solution shomognise plus ou moins au furet mesure du grossissement des dendrites.

Juste avant 1 147 oC (solidus ) lalliage (figure 4) comprend unepartie solidifie sous forme de dendrites de solution solide 2 % C,baignant dans un liquide contenant 4,3 % de C suivant le rapportmassique :

solution solide / liquide = m2C /m2E

ure

Eutectiquecarburique

(% cmentite)

49,052,5

Figure 3 Diagrammes mtastable et stable superposs


TouteM 380 4

1 147 oC la partie liquide se solidifie pour donner un eutectique(ledeburite ) form dun agrgat dlots de solution solide 2 % Csur un fond de cmentite Fe3C 6,7 % C.

Comme prcdemment, on a :

solution solide /eutectique = m2C /m2E

Pour leutectique on a :

solution solide /cmentite eutectique = CF /CEsoit (6,7 4,3)/(4,3 2) = 1,04.

Cest dire que leutectique est constitu approximativement parparties gales de solution solide 2 % C et de cmentite eutectique 6,7 % C.

Lcart de temprature m2m1 au cours duquel sest effectue lasolidification reprsente ce quon appelle l intervalle desolidification .

Plus la fonte est pauvre en carbone, plus cet intervalle est grand,et plus les dendrites de solution solide sont volumineuses.

une temprature lgrement infrieure 1 147 oC, la fonte 3 % C est entirement solidifie et comprend (figure 5) :

une solution solide 2 % C, soit en dendrites, soit eutectique ; de la cmentite eutec

dans le rapport :

partir de cette tempraratre au cours du refroidltat solide.

Pendant le refroidissemesolide diminue au bnficetion solide /cmentite) pasfaible.

Cela provoque la formation de cmentite proeutectode sur lescontours du domaine de la solution solide avec un appauvris-sement de cette dernire en carbone (de 2 % 0,8 % C).

723 oC apparat le phnomne eutectode qui transforme toutela solution solide 0,8 % C en un agrgat appel perlite et constitupar la juxtaposition de lamelles de fer alternant avec des lamellesde cmentite.

On a :perlite/cmentite = m3K /m3S

et pour la perlite :

Fe /cmentite eutectode = SK /SP = (6,7 0,8)/0,8 = 7,4

cest--dire quil y a alors de 7 8 fois plus de fer ou ferrite quede cmentite eutectode.

Il est noter que lapparition de leutectode brouille le dessindes dendrites du dbut de la solidification.

Aussitt passe la temprature eutectode, la fonte 3 % Ccomprend essentiellement du fer ou ferrite et de la cmentite sousles trois formes : eutectique, proeutectode et eutectode, dans lerapport :

fer /cmentite = m3K /m3P

Figure 4 Aspect schmatidans le systme mtastable

Figure 5 Aspect schmatidans le systme mtastable

solution solide (dcmentit

----------------------------------------------------- reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

tique 6,7 % C,

ture, les transformations qui vont appa-issement seront des transformations

nt de m2 m3 , la proportion de solution de la cmentite puisque le rapport (solu-se de m2F /m2E m3K /m3S qui est plus

Au-dessous de m3 , la fonte continue se refroidir sans autretransformation et, froid, la structure comprend essentiellementdes plages de perlite sur un fond de cmentite (eutectique etproeutectode).

Cest la structure caractristique des fontes blanches ainsinommes en raison de la couleur de leur cassure.

1.1.1.1.2 tude du refroidissement dun alliage hypereutectique (systme mtastable)

En raisonnant comme pour le cas prcdent, on constate au refroi-dissement, partir de n0 , de n1 n 2 (figure 1) une solidificationprogressive par dpt de cristaux de cmentite proeutectique (ouprimaire ) avec appauvrissement en carbone du liquide restant.

1 147 oC, il y a solidification de leutectique 4,3 % C avec :

cmentite proeutectique/eutectique = n2C /n2F

et :

En se refroidissant, de 1 147 oC 723 oC, la solution solidesappauvrit en carbone jusqu 0,8 % C et laisse dposer de lacmentite proeutectode.

Juste avant 723 oC lalliage comprend toujours deux phases : la solution solide (de leutectique) 0,8 % C ; la cmentite (proeutectique-eutectique et proeutectode)

suivant le rapport :

solution solide / cmentite = n3K /n3S

723 oC, leutectode se forme comme dans le cas prcdent(agrgat de ferrite et cmentite en lamelles) et aucune transformationne se manifeste dans la suite du refroidissement, ce qui donne, froid :

cmentite proeutectique en cristaux,eutectique,proeutectode,eutectode incluse dans la perlite ;

ferrite incluse dans la perlite avec les rapports :

que de lalliage hypoeutectique, un peu avant datteindre le solidus

que de lalliage hypoeutectique, un peu aprs le passage du solidus

endrites + eutectique)e eutectique

-----------------------------------------------------------------

m 2 Fm

2

E

---------------=

solution solide (de l eutectique)cmentite (proeutectique et eutectique)-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

n2Fn2E

--------------=

ferritecmentite-----------------------------

n3Kn3P

-------------= et perlitecmentite-----------------------------

n3Kn3S-------------=



1.1.1.2 Diagramme stable fer-graphite

1.1.1.2.1 tude du refroidissement dun alliage hypoeutectique (systme stable)

Comme prcdemment (figure 2) lalliage est pris 1 400 oC, lepoint figuratif tant en m0 (figure 3).

1 300 oC, dbut de solidification en m1 sous forme de dendritesde solution solide ; 1 153 oC (au point ) leutectique se solidifieen agrgat de lamelles de graphite dit eutectique dans une solutionsolide 2 % C.

Lalliage solidifi comprend ce moment : des dendrites de solution solide 2 % C ; du graphite en lamelles qui se dpose dans la solution solide

de leutectique.

partir de ce moment et au cours du refroidissement qui suit,quatre possibilits peuvent se prsenter.

1re possibilit : si la vitesse de refroidissement et les facteursdlaboration sont tels que lalliage continue suivre le diagrammestable ; on aboutit en S (figure 6) ; de E S la solution solide sestappauvrie en carbone jusqu 0,7 % avec dpt de graphite ditproeutectode (ce graphite se dpose sur les lamelles existantes).

ce moment, lalliage correspond un acier 0,7 % C contenant2,3 % de graphite spar sous forme de lam

On doit admettre que cest cette temprejoint le diagramme mtastable et se refsolution solide senrichit en carbone jusqula ferrite.

En S , leutectode apparat exactementprcdent en donnant la perlite.

la temprature ambiante, la fonte 3 %processus qui vient dtre dcrit, doit comp

perlite et ferrite correspondant un 0,7 % C ;

graphites eutectique et proeutectode.

2e possibilit : si les conditions sont diffse produire plus tt, par exemple la vcest--dire aussitt aprs la formation dlalliage rejoint le diagramme mtastable continuant, il y a dpt de cmentite proeutesolution solide dont la teneur en carbone b

En S , leutectode se forme comme prcdemment et la struc-ture finale comprend :

perlite et cmentite proeutectode, correspondant un acierhypereutectode 2 % C ;

graphite eutectique.

3e possibilit : entre les deux cas qui viennent dtre examins, lepassage dun diagramme lautre peut se faire en un point quel-conque situ sur E S .

Si le passage se fait en S1 , sur la verticale de S , il y aura dptde graphite de E S1 ; partant de S1 , le refroidissement amneralalliage directement en S avec formation de leutectode perlite(sans ferrite ou cmentite proeutectode).

ce moment la structure finale de la fonte 3 % C comprend : perlite (correspondant un acier eutectode 0,8 % C) ; graphites eutectique et proeutectode.

Une telle fonte est dite perlitique alors que les prcdentes sontdites respectivement ferrite gauche de la ligne S1S , et cmentite droite de cette mme ligne.

4e possibilit : enfin, la vitesse de refroidissement au voisinagede 720 oC est assez faible et le graphite assez fin, lalliage peutachever compltement ses transformations suivant le diagrammestable (figure 2). Quand son point reprsentatif atteint S , laustnite

Figure 6 Transformations ltat solide du

m 2utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 5

elles.

rature

S

que lalliageroidit suivant S S ; la 0,8 % et il se forme de

comme dans le cas

de carbone, suivant lerendre : acier hypoeutectode

rentes, le passage peuterticale du point

E

,e leutectique. En ,et, le refroidissementctode aux dpens de la

aisse jusqu 0,8 %.

0,7 % de carbone se dcompose en ferrite et graphite (ce dernierprcipitant sur les lamelles prexistantes), de telle sorte que la struc-ture ne prsente plus en dfinitive que ces deux phases.

1.1.1.2.2 tude du refroidissement dun alliage hypereutectique (systme stable)

En suivant le mme raisonnement quau paragraphe 1.1.1.2.1, unetelle fonte se diffrencie de la prcdente uniquement pendant ladure de la solidification. En arrivant en (figure

3

), la solidificationcommence par un dpt de graphite ; partir de le dpt aug-mente en formant de grosses lamelles de graphite dit

primaire

.

En la solidification eutectique se produit avec un dpt degraphite nettement plus fin, comme dans le cas prcdent. partirde ce moment tout se passe comme pour les fontes hypoeutectiquespendant le refroidissement.

Finalement, la structure est celle qui correspond aux fontes hypo-eutectiques avec, en plus, du graphite primaire en grosses lamelles.

Lessentiel retenir de cet examen sommaire des diagrammesdquilibre, cest que, pour une mme fonte, suivant les vitesses derefroidissement et les facteurs dlaboration, les structures finalespourront tre trs diffrentes, avec toutes les consquencespossibles sur les proprits mmes de lalliage.

1.1.2 Diagrammes dquilibre complmentaires

Une fonte

technique

est un alliage complexe. Il faudrait ltudiercomme un systme unique dont les lments seraient Fe-C-Si-Mn-S-P-Ni-Cr-N-O-, etc.

Ne sachant pas reprsenter commodment les diagrammes dtatdes systmes plus de trois constituants, on renonce pratiquement cette solution.

Mais il est souvent intressant et utile de se ramener un systmede trois constituants, en choisissant dassocier au fer et au carbonecelui des lments complmentaires qui influe le plus sur la proprit interprter.

Lusage des diagrammes ternaires ne pourra donner souventque des informations qualitatives.

1.1.2.1 Systme fer-carbone-silicium

Excluant les fontes allies au silicium (article

fontes spcialesallies

[M 400] dans ce trait), on peut considrer que dans les fontes

ne fonte grise

E 1

n 1n 1

n 2


TouteM 380 6

ordinaires la teneur en silicium est comprise entre 0,5 et 3 %. Ltudecomplte des diagrammes Fe-C-Si est trs complique [3] et on nelentreprendra pas ici. On saperoit prsent que la forme dudiagramme mtastable diffre sensiblement de celle du diagrammestable, puisque le premier prsenterait un eutectique ternaire [4]mais pas le second.

Il nous suffira de donner ici deux reprsentations plus ou moinsschmatiques et partielles de ce systme.

La figure 7 reprsente, en projection horizontale, les lignes prin-cipales de langle riche en fer du systme stable. Il est noter queles lettres portes sur laxe des ordonnes (reprsentant le systmeFe-C de bout) ont la mme signification que sur les figures 1, 2, 3et 6. Les courbes les plus remarquables, C K , E L et S L , montrentla diminution de la concentration en carbone, respectivement deleutectique, de laustnite concentration en silicium a

La courbe C K est une vasuivant la nature des cristtiques (en haut et droite) gauche). Cette courbe est stable [elle est, au contrairele systme mtastable] et de 1 170 oC.

Bien entendu, les alliages proprement parler des systme binaire, mais en ppas la remarque prcdenbinaires des diagrammes F

Par exemple, la figure 8 cette figure qui reprsente cas gnral des fontes gririeure, jusquau solidus essystme stable (fonte graressort plutt du systme

Dans les fontes, le siliciuoriente la structure vers la

1.1.2.2 Systme fer-carbone-phosphore

Dans les fontes industrielles courantes, la teneur en phosphoreest comprise entre 0,03 et 1,2 % ce qui amne, par analogie avecla classification des producteurs de fonte neuve, distinguer entreles fontes

hmatites

(P < 0,15 %), les fontes phosphoreuses (P > 1 %)et les qualits intermdiaires quon pourra dire

semi-hmatites

ou

semi-phosphoreuses

selon quelles seront plus proches de lune oude lautre des catgories prcdentes.

Lintroduction du phosphore dans un systme fer-carbone modifieprofondment le mcanisme de solidification.

Nous donnerons, pour illustrer linfluence de cet lment, laprojection du diagramme ternaire Fe-Fe

3

C-Fe

3

P (figure

9

), tantentendu que, dans sa partie utile ici, le diagramme stable Fe-P-graphite en est probablement trs peu diffrent.

Limportant est la formation dun eutectique ternaire bas pointde fusion (953

o

C) et contenant 6,9 % P et 2,4 % C (en

E

1

). Or, enraison de la faible solubilit du phosphore dans laustnite, leconstituant dit

eutectique phosphoreux

ou

steadite

apparat effec-tivement (quoiquen quantit ngligeable dans les fontes hmatites)dans toutes les fontes industrielles sous la forme dun agrgat dephosphure de fer Fe

3

P, daustnite (transforme ultrieurement en

Remarque :

avant de prsenter sommairement les parties desdiagrammes Fe-C-Si et Fe-C-P qui se rapportent aux fontes, onrappellera que cest une grave erreur de principe (pouvantconduire des conclusions fausses) que de raisonner sur unecoupe teneur fixe en un des lments, comme sil sagissaitdun diagramme binaire des deux autres.

Figure 7 Diagramme Fe-C

reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.

Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

eutectique et de leutectode lorsque laugmente.

lle eutectique

permettant de dlimiter,aux primaires, les alliages hypereutec- des alliages hypoeutectiques (en bas etascendante partir de

C

dans le systme, descendante partir de

C

(figure

1

) dansla temprature du point

K

est de lordre

situs sur cette courbe

C

K

ne sont paseutectiques car on nest pas dans unremire approximation et en noubliantte, on peut utiliser des coupes pseudo-e-C-Si.

montre un telle coupe pour 2,4 % Si. Surassez bien (au moins qualitativement) leses non phosphoreuses, la partie sup-t considrer comme ressortissant duphique) tandis que la partie infrieuremtastable (formation de perlite).

m est llment directeur principal qui forme stable graphite ( 1.3.2.1).

ferrite ou en perlite) et, dans certains cas, de carbure de fer Fe3C.Si, en raison de la graphitisation naturelle, le carbure de fer ne seforme pas, ou sil est dcompos artificiellement par recuit, leutec-tique phosphoreux ne contient plus que Fe3P et laustnitetransforme : il est dit alors pseudobinaire, pour ne pas le confondreavec leutectique binaire du systme Fe-P ( 10 % de phosphorecelui-l ; temprature 1 020 oC).

La bonne connaissance du double diagramme Fe-C ainsi que dela forme gnrale des diagrammes Fe-C-Si stable et Fe-C-P estindispensable pour linterprtation des proprits essentielles desfontes grises.

On peut admettre que les influences du silicium et du phosphorese superposent dans les fontes industrielles ; cest ainsi, parexemple, que la position par rapport la composition eutectique peuttre estime grce la confrontation du diagramme Fe-C et de lanotion dquivalent en carbone ( 1.3.2.4). Dans certains cas parti-culiers, la considration des diagrammes Fe-C-Mn ou FeS-MnSpourra apporter des complments utiles [5].

-Si stable, simplifi (daprs [3])

Figure 8 Coupe pseudobinaire du diagramme Fe-C-Si, 2,4 % Si



On noubliera jamais que, dune part, lesou plus complexes ne sont connus que pamativement et que, dautre part, en raison et dhystrsis, les alliages rels ne les suiv

1.2 Proprits et rle des co

Comme nous lavons rappel dans lintrodnon allies sont constitues dune matrice des particules de graphite en forme de lamelltiques phosphoreux et dautres inclusions sest gnralement ngligeable (sulfures de carbonitrures de titane).

1.2.1 Matrice

1.2.1.1 Ferrite

Les proprits de la ferrite dpendent deaussi de la nature et de la quantit des ltrouver en solution.

Le plus important dentre eux, le siliciumquantit notable dans les fontes, modifie leferrite ainsi quil est indiqu au tableau 1.

Dans les fontes grises ferritiques grainfluence du silicium peut tre masque pa

Linfluence des autres lments sur la dula ferrite apparaissent sur les figures 10 et

1.2.1.2 Perlite

Les caractristiques mcaniques de la perlide sa finesse. Sa duret Brinell varie entre 200une formule empirique liant la finesse de la

Figure 9 Diagramme dquilibre ternaire Fe(daprs R. Vogel)

utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

M 380 7

diagrammes ternairesrtiellement et approxi-des effets de surfusionent pas.

nstituants

uction, les fontes griseso se trouvent mleses, des cristaux deutec-econdaires dont le rlefer et de manganse

la taille du grain maisments qui peuvent sy

, toujours prsent ens caractristiques de la

(0)

phite lamellaire, cetter celle du graphite.

ret et la rsistance de11.

te dpendent avant tout et 300. Belaieff a donn perlite sa duret, qui

peut tre considre comme valable en premire approximationdans le cas de la matrice perlitique des fontes :

HB 0 = 80

avec HB duret Brinell,

0 (m) distance entre deux lamelles conscutives decmentite.

0 varie entre 0,26 (HB voisin de 300) dans les structures trsfines et 0,38 (HB voisin de 200) dans les structures grossires.

-Fe3P-Fe3C simplifi

Figure 10 Influence de quelques lments dadditionsur la rsistance la traction de la ferrite (daprs [8])

Figure 11 Influence de quelques lments dadditionsur la duret de la ferrite (daprs [9])

Tableau 1 Proprits de la ferrite en fonction de la teneur en Si [6] [7]

Type de ferrite

Caractristique mcanique

Rsistance la traction Allongement

Duret Brinell

(%) (HB)

Ferrite pure ................... 275 61 75Ferrite 0,82 % Si ........ 309 50 88Ferrite 2,28 % Si ........ 437 43 124Ferrite 3,4 % Si .......... 530 28 150


TouteM 380 8

Comme en outre il existe, dans un acier recuit, une relation entrersistance et duret :

Rm = 3,2 HB

avec Rm (MPa) rsistance la traction,

HB duret Brinell.

on voit que lespacement 0 dtermine les principales caractris-tiques dune perlite ne contenant pas dlments en solution dansla ferrite ou la cmentite.

Dans le cas des fontes, mme non allies, il existe toujours deslments en solution dans la matrice perlitique. Leur influencepropre sur les caractristiques de la ferrite et de la cmentite existe,mais est moins importante que celle rsultant des modifications definesse de lagrgat perlitique.

Ainsi Cu-Ni-Cr-Mo-V-Mn affinent la perlite, tandis que le siliciumen produit le relchement et la ferritisation.

1.2.1.3 Cmentite

La caractristique essentielle de la cmentite est sa duret trsleve (HB de lordre de 700 800). Celle-ci peut tre augmentepar addition dlments spciaux tels que le chrome mais cetteinfluence est toujours secondaire. En effet, quand on ajoute unlment spcial une fonte blanche, celle-ci durcit videmment,mais laugmentation de duret globale rsulte plutt du durcis-sement de la matrice (actiodautres constituants de tredes carbures eux-mmes.

Notons au passage quuduret dune fonte blanchedonc la proportion de carbla rsistance au choc (articce trait, et tableau 2).

1.2.2 Graphite

Les formes compactes fontes graphite sphrodun moindre degr, particuleproprits de tnacit plus pduisent dans la matrice leordinaires, le graphite est pplus ou moins abondant endierons au paragraphe 1.3 sur leffet dentaille dansproprits physiques et mparagraphe 2.1.

1.2.2.1 Classification suivant le fascicule A 32-100

Pour dcrire plus aisment les divers aspects du graphite surune coupe micrographique, on utilise trs largement le fasciculeAFNOR A 32-100 (juin 1967) qui reproduit sans modification (en cequi concerne les fontes graphite lamellaire) lancienne classifica-tion de lASTM (American Society for Testing Materials).

Cette classification est fonde sur deux critres : la rpartition et la forme du graphite (types A, B, C, D, E) ; les dimensions des lamelles (no 1 8).

Types de graphites Type A : graphite en lamelles rparties uniformment

(figure 12a). Cest la distribution normale que lon rencontre dansles pices dpaisseur moyenne coules en sable, lorsque la fonte estvoisine de leutectique ou lgrement hypoeutectique (le plussouvent : paisseur suprieure 20 mm dans la coule en sable ;carbone quivalent 4,0 4,4 %).

Le carbone quivalent Cq. sera dfini au paragraphe 1.3.2.4. Type B : graphite en rosettes (figure 12b). Cette structure se

rencontre dans le cas de pices refroidies rapidement (paisseurvoisine, par exemple, de 10 mm dans le cas de la coule en sable)lorsque les teneurs en silicium et surtout en carbone sont leves(silicium souvent voisin de 2,5 %, carbone au moins gal 3,3 %).

Cest la structure type de toutes les pices en fonte mince (pices

Tableau 2 Insur la duret dun

Ct (1) Si(%) (%)

2,11 0,402,37 0,992,70 0,653,32 0,793,57 0,563,69 0,333,93 0,65

(1) Ct = carbone total. reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

n sur la perlite elle-mme ou formationmpe) que de laugmentation de duret

n procd efficace pour augmenter la consiste augmenter le carbone total,ures, cela tant obtenu aux dpens dele Fontes spciales allies [M 400] dans

(0)

du graphite (particules sphriques desal, nodules des fontes mallables ou, s vermiculaires), permettent davoir desroches de celles des aciers car elles pro-ffet dentaille minimal. Dans les fonteslus ou moins ramifi, plus ou moins fin,

fonction de divers facteurs que nous tu-et il en rsulte une influence importante la matrice et par consquent sur lescaniques, comme nous le verrons au

de quincaillerie, pices de chauffage). Type C : graphite en lamelles et amas de graphite (figure 12c ).

On nobserve cette structure que dans le cas de fontes hyper-eutectiques refroidies assez lentement (Cq. 4,5 % ; paisseursdpassant 20 30 mm, coule en sable).

Les gros amas de graphite sont constitus par du graphitehypereutectique dpos avant leutectique graphite-austnite ; leslamelles plus fines font partie de lagrgat eutectique. Les gros amasde graphite ne se dposent effectivement que si le caractre hyper-eutectique de la fonte nest pas masqu la solidification par unesurfusion importante (figure 13).

Type D : graphite interdendritique sans orientation prfren-tielle ou graphite de surfusion (figure 12d ). Cette forme de graphitesobserve toujours dans le cas de pices refroidies trs rapidementet, en particulier, au voisinage de la surface dans le cas de picescoules en coquille.

La rpartition interdendritique trs marque ne saccompagnepas toujours dun carbone quivalent trs au-dessous de 4,3 % car,dans les fontes refroidies trs rapidement, les phnomnes desurfusion sont trs importants.

Le graphite du type D est toujours trs ramifi (dimensions nos 7et 8, cest--dire longueur apparente infrieure 3 /100 demillimtre).

Type E : graphite interdendritique orient (figure 12e ). Cettedistribution du graphite est caractristique dune vitesse de refroidis-sement moyenne ou faible (paisseurs de lordre de 20 mm et plusdans le cas de la coule en sable) et surtout dun caractre hypo-eutectique trs marqu (Cq. voisin de 4 % et souvent infrieur).

Lorientation de ces lamelles, qui ont dj une dimension appr-ciable, est impose par celle des dendrites daustnite formesauparavant ( 1.1.1.2.1).

Les lamelles sont repres du point de vue dimensionnel par unnumro dont la signification est donne dans le tableau 3. (0)

1.2.2.2 Remarque sur la classification actuelle

La classification que nous venons de dcrire est universellementconnue et employe, mme dans les pays qui ont officiellement desnormes de caractres diffrents.

fluence du carbone totale fonte blanche (daprs [10])

Mn Duret Vickers(%) (HV)

0,40 3950,65 4030,61 4560,60 5460,43 5400,61 5160,35 566



Figure 12 Types de graphites

Figure 13 Structures types de pices o la (coule par exemple contre refroidisseur) jusutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 9

vitesse de refroidissement varie considrablement depuis la surfacequau centre


TouteM 380 10

Elle a rendu et rend encore de grands services. Toutefois, elle at dfinie une poque o la notion de cellule eutectique ( 1.2.3)ntait pas diffuse dans lindustrie et o il ntait pas possible deproposer un systme plus rationnel.

Linconvnient est quen simposant lobservation un grossis-sement fixe, on dispose dun champ qui nest pas en rapport avecla vritable unit lmentaon est amen observer bles types de graphite dancription exige alors un comimages-types de la normmcanisme gnral de formeutectique, donc des arranpourquoi les commissionsactuellement diverses prop

Il ne faut pas sattendrede la pratique, en raison d vaincre.

Les considrations prctises sur la figure 13.

1.2.3 Cellules eutectRpartition de

Leutectique austnite-grment prpondrante de ladveloppe normalement ssphriques dont la dimensile graphite prend alors la cformant si lon peut dire,eutectique. Une rosette delamelles plus ou moins raau cours de la solidificationdune gaine daustnite, depo se concentrent le phospliquide rsiduel forme soit des gouttes isoles lint

La mise en vidence du ractifs mtallographiquesgations (ractifs Stead ou Lgraphie [M 90] dans ce trdisposition des cristaux phpermet dapprcier la grosstait en relation avec les calarit de la rpartition granla pice a aussi des consqla rsistance lusure ; lus

Cela ne signifie pas que type B au sens du fascicucellules, le graphite peut prcondition de principe que

particules de graphite soit infrieure au diamtre des cellules ; ladimension de et la rpartition du graphite varient souvent radia-lement, du centre au bord dune mme cellule. Cela explique laremarque expose au paragraphe 1.2.2.2.

Cependant, dans certains cas, peu frquents en pratique, la celluleeutectique apparat difficilement ou mme nexiste pas.

Les cristaux deutectique phosphoreux ont gnralement unerpartition en rseau (plus ou moins continu), chaque mailleentourant une cellule eutectique.

Les cristaux deutectique phosphoreux ont une duret plus grandeque la matrice, mais variable de 400 900 HV suivant la proportionde la phase carbure car celle-ci est plus dure que le phosphure.

La tendance la stabilisation du carbure dans leutectique phos-phoreux est accrue du fait des microsgrgations qui, trs gnra-lement dans les fontes grises, lenrichient en manganse et enimpurets carburignes (Cr, Mo,...) de mme quelles lappauvrissenten silicium et en impurets graphitisantes (Ni, Cu,...).

Finalement, le rseau form par les joints des cellules eutectiquesest la partie la plus dure du matriau, et son importance peut mmetre rgle par la teneur en phosphore. On comprend quen pratique,pour certains problmes dusure avec lubrification (chemises par

Tableau 3 Classification du graphitesuivant la longueur maximale des lamelles

noLongueur maximale

(mm)

1 > 12 0,5 13 0,25 0,54 0,12 0,255 0,06 0,126 0,03 0,067 0,015 0,038 < 0,015 reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

ire de la structure et quen le dplaantien souvent plusieurs types sinon touss un mme chantillon ; une bonne des-mentaire compliqu d au fait que lese ne tiennent pas assez compte duation du graphite au sein de la cellule

gements rels de ces particules. Cest internationales comptentes tudientositions de rvision de la mthode.

toutefois une modification prochainee la difficult du sujet et des habitudes

dentes ( 1.2.1) et ( 1.2.2) sont schma-

iques. Grain des fontes grises. leutectique phosphoreux

aphite, qui constitue la partie gnrale- structure des pices en fonte grise, seous la forme de cellules grossirementon finale dtermine le grain de la fonte ;onfiguration en rosettes , chaque rosette le squelette graphitique dune cellule graphite est un ensemble connexe demifies qui se dveloppent radialement eutectique (vers 1 150 oC) en sentourant

uis le centre jusquau bord de la rosette,hore et dautres impurets ; la fin, le

une sorte de joint entre les cellules, soitrieur de ces dernires.

rseau dlimitant ces cellules par des appropris, sensibles aux microsgr-e Chtelier par exemple, article Mtallo-ait), ou par le simple reprage de laosphoreux sils sont assez abondants eur du grain dont on a pu montrer quelleractristiques mcaniques [11]. La rgu-ulomtrique de ces cellules au sein deuences sur certaines proprits commeinabilit, etc.

le graphite soit ainsi ncessairement dule A 32-100 ; en effet, lintrieur desendre les formes A, D ou E, avec la seulela dimension maximale apparente des

exemple), le rseau phosphoreux puisse confrer aux pices desproprits dutilisation avantageuses.

1.3 Facteurs dterminant la structureet les proprits

Les proprits des fontes sont dtermines avant tout par leurstructure, laquelle dpend dune srie de facteurs de fabrication quilappartient au fondeur de fixer compte tenu de sa technique propre.Le plus souvent, mme la structure na pas tre prcise par lutili-sateur qui peut se contenter dun contrle (normalis le cas chant)des caractristiques mcaniques essentielles ; a fortiori , la composi-tion chimique, qui est un facteur de fabrication parmi dautres, napas tre impose au fondeur : nous esprons le faire comprendredans la suite de ce paragraphe, rappel de considrationsdveloppes dans les articles laboration des fontes (hormis fontesmallables) [M 760] et laboration des fontes mallables [M 770]dans ce trait.

1.3.1 laboration du mtal liquide

La fonte grise ordinaire est labore au cubilot vent froid, vent chaud, au four lectrique ou mme dans dautres types defour. Ces divers engins de fusion absorbent, pour certaines raisonstechniques et conomiques, des charges diffrentes ; ils produisentdes fontes liquides qui, pour une composition dtermine, nontpas exactement les mmes proprits et qui appellent, plus oumoins ncessairement, des traitements mtallurgiques correctifs.Nous numrons ci-aprs les principaux caractres de llaborationcontribuant dterminer la structure et les proprits.

1.3.1.1 Histoire thermique du mtal liquide

Au-dessus du liquidus, le mtal peut tre port plus ou moinshaute temprature (cest ce quon appelle la surchauffe ) et plus oumoins longtemps.

Cest ainsi qua t souligne linfluence de la temprature atteinteau-dessus du liquidus ; la figure 14, daprs E. Piwowarsky [12]montre que llvation de cette temprature accrot le phnomnede surfusion. Dans la mesure o la surfusion affine le graphite, cepeut tre un avantage, la condition que la forme D (figure 12)napparaisse pas. Pour les fontes hypereutectiques ou eutectiques,la surchauffe est intressante ; mais, pour les fontes hypoeutec-tiques, une forte surfusion risque dtre dangereuse car le graphite Dest souvent accompagn de ferrite mal rpartie dans la matrice.



On peut rsumer ainsi laction de la surchauffe sur la structuredes fontes grises : la surchauffe provoque dabord un affinement dugraphite qui, de grossier, devient moyen, puis fin ; en augmentantla surchauffe, le graphite continue saffiner, mais il prend la forme Dgnralement dfavorable. En laugmentant encore, la fonte devienttruite, puis blanche.

1.3.1.2 Hrdit des matires premires de la charge

La nature des matires premires utilises comme charges refondre (fontes neuves, ferrailles, ferroalliages) est lie au modede fusion, mais on pourrait penser que ces matires premiresseraient suffisamment caractrises par leur composition enlments principaux (C-Si-Mn-S-P). En fait, on a des raisons depenser quil nen est pas ainsi et que certains caractres structurauxsont transmissibles, au-del des refusions, par une sorte deffetdhrdit [13] dont tout nest pas expliqu actuellement par lesimpurets doses chimiquement ou spectrographiquement.

1.3.1.3 Influence dun traitement dinoculation

Un tel traitement [24] consiste ajouter au mtal liquide, soit dansla poche de coule, soit au chenal dans le cas dune fusion au cubilot,un produit graphitisant base de silicium ou de graphite, en quantitminime (il ne sagit pas donc de laddition dun lment dalliage).On constate quune telle opration modifie la structure et les pro-prits dune faon apprciable et toujours hors de proportion avecle rsultat que lon pourrait attendre dune addition de mme quan-tit faite dans les charges solides constituant le lit de fusion.

Ces additions ne modifient pas directemodifient de faon sensible le graphite et la eutectiques, et augmentent la rsistance.

De mme, ce traitement diminue considdeur de trempe, favorisant lobtention dune

Il est alors possible de raliser ainsi des graphite lamellaire trs fin (type D exclu) posleves, alors que, daprs les diagrammesdevrait tre blanche ou tout au moins truite,seur des pices et de leur composition chimle tableau 4 illustre la variation des caractrifonction du mode dintroduction du silicium

La figure 15 montre, dans le cas de barde 30 mm de diamtre, dune part la dispersi

mcaniques en fonction du carbone quiv

dautre part linfluence favorable dun trlorsque le carbone quivalent est assez faib

de la mme faon des indications relatives lessai de flexion. Lepeu de dispersion obtenu rsulte du fait quil sagit dessais syst-matiques effectus dans le cadre dune fabrication et ne doit pas treconsidr comme une rgle gnrale.

1.3.1.4 Influence de la temprature de coule

La temprature de coule ne pas confondre avec la tempraturede surchauffe est celle de la fonte liquide, aprs les traitementscomplmentaires ventuels, au moment o elle est verse dans lemoule. Son influence est assez complexe, dailleurs non ngligeable,et pour plus de dtails ce sujet, on se reportera ltude deTimmons et Crosby [14].

1.3.2 Composition chimique

1.3.2.1 Carbone et silicium

Les deux lments (carbone et silicium) ont une influence direc-trice essentielle sur le passage de la forme mtastable la formestable de la solidification ; on a vu les enseignements tirer desdiagrammes dquilibre Fe-C et Fe-C-Si ( 1.1.1) et ( 1.1.2).

Il a dj t dit ( 1.3) quil tait impossible de caractriser les pro-prits mcaniques dune fonte en se fondant sur la compositionchimique. Toutefois il convient de noter les points suivants quirestent valables pour toutes les fontes ordinaires.

Tableau 4 Influence du mode dintrod3,04 3,10

Silicium : dans les charges .................................(%) ajout la poche.................................(%)

Total..........................(%)

Duret Brinell ................................................Rsistance la traction ...................... (MPa)Charge de rupture la flexion (1) .......... (N)Flche (essai de flexion) (1) ................ (mm)

(1) Essai de flexion effectu sur barreaux de 30 mutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 11

ment la matrice maisdimension des cellules

rablement la profon- fonte grise.

pices en fonte grise sdant des rsistances de structure, la fonte

compte tenu de lpais-ique. titre dexemple,stiques mcaniques en.

reaux bruts de couleon des caractristiques

alent ,

aitement dinoculationle. La figure 16 donne

(0)

(Ct13----- Si 1

3-----+ + P)

Figure 14 Influence de la surchauffesur limportance de la surfusion la solidification

uction du silicium sur quelques caractristiques mcaniques dune fonte comprenant % de Ct ; 0,88 0,90 % de Mn et 2,07 2,17 % de Si [6] [7]

2,17 1,50 1,00 0,50.............................. 0,58 1,15 1,57 2,13

2,17 2,08 2,15 2,07 2,13

228 223 217 217 217256 270 284 302 332 333 337 340 276 277

10 200 10 450 10 900 11 350 12 800 13 000 12 850 13 450 11 000 11 2504,7 4,9 5,6 6,0 7,8 8,4 8,0 8,7 6,0 6,1

m de diamtre, 450 mm de distance entre appuis, charge centrale.


TouteM 380 12

Dans une fonte truite, usilicium et en carbone, engris, augmente la rsistapermettant dobtenir unegraphite fin. Mais si lon va ajoute trop de carbone et obtenir de la ferrite et du rsistance diminuera. Le mme faon, mais la rsistcomposition chimique partlhistoire antrieure du mtde fusion, vitesse de refroid

Linfluence du graphite importante que celle de la fonte rsistante, on ne peutmais une teneur en carbonsi lon reste dans le domaintance dune fonte augmentecarbone, ce qui non seulemede graphite mais encore Notons ce sujet que la carfacilit de mise en uvre et Or les fontes bas carbonblement en mme temps qulamlioration de la rsistaces raisons, sauf dans des teneur en carbone dune fo

Figure 15 Relation entre let la rsistance la tractionpar des fontes inocules ou reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

ne lgre augmentation des teneurs en faisant passer la structure du blanc aunce mcanique et diminue la duret, structure perlitique sans carbures trop loin dans ce sens, cest--dire si lonsurtout de silicium, on aura tendance graphite grossier, de telle sorte que laphnomne se produit toujours de laance maximale ne peut tre relie uneiculire, celle-ci tant fonction de touteal (nature des matires premires, modeissement dans le moule, etc.).

sur la rsistance la traction est plusmatrice, de telle sorte qu la notion de associer une teneur en silicium prcise,e modre (voisine de 3 %). En pratique,e des fontes grises perlitiques, la rsis- toujours lorsquon diminue la teneur ennt entrane une diminution de la quantit

permet dobtenir un graphite plus fin.actristique essentielle dune fonte est sases remarquables proprits de fonderie.e (infrieur 3 %) retassent considra-e leur coulabilit diminue, ce qui, malgr

nce, leur retire beaucoup dintrt. Pourcas trs particuliers, on nabaisse pas lante au-dessous de 2,8 %.

1.3.2.2 Manganse. Soufre. Phosphore

Le manganse et le soufre se combinent en partie pour constituerdes inclusions de sulfures de manganse (et de fer) dont linfluencesur les proprits est ngligeable. Pour plus de dtails, se reporter [5]. La teneur en manganse des fontes ordinaires est gnrale-ment infrieure 1 %. Il est souhaitable que la teneur en soufre nedpasse pas 0,12 %.

Le phosphore des fontes ordinaires qui en contiennent suffi-samment (plus de 0,30 %) joue un rle important dj signal parltude du systme Fe-C-P ( 1.1.2.2).

Linfluence du phosphore est complexe, car la rpartition deleutectique phosphoreux varie considrablement suivant la vitessede refroidissement [15]. Lorsque celle-ci est grande (paisseur despices voisine de 10 mm dans la coule en sable), leutectique phos-phoreux est rparti en un rseau continu dlimitant compltementles cellules eutectiques ds que la teneur en phosphore atteint 0,4 %.Lexistence dun tel rseau contribue diminuer sensiblement larsistance la traction.

e carbone quivalent dans le barreau de diamtre , non (daprs doc. CTIF [24])

30mm=

Figure 16 Influence dun traitement dinoculationsur la charge et la flche de rupture la flexion de quelques fontes graphite lamellaire (daprs [6] [7])



Au contraire, dans des conditions de refroidissement normales,leutectique phosphoreux est rparti uniformment dans toute lapice et joue un rle sensible, mais nettement moins dfavorable.

Au-del dun taux de phosphore de 0,3 % environ, linfluence duphosphore sur les principales caractristiques mcaniques peut treschmatise de la faon suivante [16] : une augmentation de lateneur en phosphore de 1 % accrot la duret Brinell de 30 40 points,diminue le module lastique de 10 000 MPa.

Par ailleurs, il exerce une influence dfavorable sur la rsistanceau choc des fontes ( 4.2.1.4). Sur la rsistance la traction, leffetest variable.

Lensemble des cinq lments C-Si-Mn-S-P constituent leslments principaux que le fondeur dose couramment par voiechimique ou spectrographique.

1.3.2.3 Impurets

Linfluence des impurets rsiduelles, gnralement non dosesdans les fontes grises courantes, est rappele dans larticle Fontesspciales allies [M 400] dans ce trait (voir aussi [13] [17]). Certainesont un rle favorable dans la mesure o elles aident lobtentiondun graphite fin (Ti) ou dune structure entirement perlitique,souvent avantageuse (Cu-Ni-Cr-Mo-Sn). Dautres ont une influencenettement dfavorable sur la forme du graphmme en teneurs trs basses ; dautres encertains dfauts de fonderie (AI), etc. La queet ne peut tre traite ici.

1.3.2.4 Carbone quivalent

Lquivalent en carbone est un titre fictif rapidement si, en principe, une fonte donneutectique, ou hypereutectique.

Lquivalent en carbone Cq. est dfininorme NF A 32-101 (annexe B) de juin 1987

dans laquelle les teneurs sont exprimes en

Cette expression simplifie existe sous dcompltes (pour tenir compte de linfluenceou tendant tre plus exactes. Ainsi, on pr

Cependant, lexpression simplifie, comcarbone thorique de leutectique des soit 4,3 %, suffit linterprtation courante thermique (contrle du mtal liquide [18] [19corrlation grossire avec les proprits qu la traction, dpendent de la quantit de g

Des rflexions approfondies sur la significvalent en carbone, sur sa comparaison l(demploi rpandu en Allemagne), sur lelutilisant abusivement figurent dans la broc

1.3.3 Conditions de refroidissemeSensibilit lpaisseur

Pour un alliage donn, la vitesse de refroidles facteurs suivants :

a ) mtal : diffrence de temprature entre le

moment de la coule, conductivit thermique ;

b ) moule : paisseur et nature des parois (mtallique sable vert ou

tuv argileux, li la rsine ou sans liant, avec ou sans enduit), temprature du moule, position des attaques de coule ;

c ) pice : paisseurs variables, prsence de surfaces convexes ou concaves, prsence dangles rentrants ou sortants.

On remarque que la dernire srie de facteurs (c), la discrtiondu concepteur de la pice, doit aussi souvent que possible fairelobjet dune concertation avec le fondeur. En effet, si le trac despices prvoit des parties massives voisinant avec des partiesminces, les vitesses de refroidissement seront diffrentes et lesstructures aussi. Cette consquence, qui provoque lhtrognitcongnitale de la fonte, doit tre suffisamment connue pour aubesoin mettre en uvre tous les moyens de la combattre, y compriscelui qui consiste adapter le trac des pices aux exigences dumtal.

Lhtrognit du 1er degr caractrise les lois de refroidissementdiffrentes entre deux sections de masses diffrentes ; lhtro-gnit du 2e degr concerne les variations du refroidissement entre

Cq. C13----- Si P+( )+=

Cq. C14----- Si 1

2----- P+ += ou encore Cq.utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 13

ite (Pb) et sont vitercore peuvent amener

stion est trs complexe

qui permet dapprciere est hypoeutectique,

comme suit dans la :

pourcentage massique.

autres formes ou plus des autres lments)

opose :

pare la teneur enalliages fer-carbone,des courbes danalyse]) et peut tre mise en

i, comme la rsistanceraphite.

ation exacte de lqui-indice de saturation Scs erreurs viter enhure [1].

nt dans le moule.

issement est rgie par

mtal et le moule au

le centre dune section donne et la priphrie.

Par des artifices de moulage, on peut rgler en partie les vitessesde refroidissement (distribution des attaques de coule, emploi derefroidisseurs, moules chauds, temprature de coule, etc.), mais detels procds ont une action limite, ils compliquent la fabricationet contrarient la productivit ; ce sont des palliatifs qui corrigent lesconsquences de lhtrognit sans sattaquer aux causes essen-tielles. Ils sont toutefois de rgle dans le cas du moulage en coquillemtallique.

La sensibilit lpaisseur, cest--dire la variation des caract-ristiques mcaniques avec la vitesse de refroidissement, constituelune des proprits les plus importantes des fontes. En fait, tousles alliages de fonderie prsentent des variations sensibles descaractristiques mcaniques avec lpaisseur, mais le plus souventcelles-ci sont une consquence des variations de grosseur du grainou de finesse dendritique.

Dans le cas des fontes, il vient sy ajouter des variations de struc-ture trs importantes, permettant dobtenir partir du mme mtalliquide, des produits aussi diffrents que la fonte blanche et la fonte graphite grossier tendance ferritique (figure 13). Mme sans allerjusque-l, en ne considrant que le cas des fontes grises, les dif-frences provoques par des variations de la vitesse de refroidis-sement dans le facis du graphite et la finesse de la perlite, entranentdes modifications importantes des principales caractristiquesmcaniques comme le montre le tableau 5. (0)

En fait, la sensibilit lpaisseur se manifeste non seulement parune variation des caractristiques moyennes dans des barreaux oudes pices dpaisseurs diffrentes, mais encore par des variations lintrieur dune mme pice lorsque ses dimensions sont impor-tantes (variations du centre la surface, variations au voisinage desattaques de coule, variations entre parties plus massives et rgionsplus minces).

Toutes les fontes non allies ne prsentent pas au mme degrcette proprit de sensibilit lpaisseur. Cest pourquoi on peutdonner une dfinition prcise de la sensibilit lpaisseur relative une caractristique mcanique quelconque, et une mthode pourla dterminer : on coule avec le mme mtal des barreaux de dia-mtres chelonns et on traduit les rsultats en coordonnes semi-logarithmiques : la figure 17 donne, pour une certaine fonte griseprise comme exemple, la sensibilit lpaisseur pour la rsistance la traction et la duret.

Nous verrons au paragraphe 2.1.4 comment on peut utilisercertaines relations statistiques pour estimer au mieux les propritsmcaniques des lments mouls sous des paisseurs diffrentes partir dun mme mtal.

C 14,5----------- Si 1

2----- P+ +=


TouteM 380 14

Tableau 5 Variation des caractristiques mcaniques avec lpaisseur des pices en fontes grises

Composition chimique(%) Caractristiques

mcaniques(1)

Diamtre des barreaux(mm)

Ct Si Mn S P 90 50 32 22 15 10

3,10 2,79 0,67 0,08 0,18Rm (MPa) 152 183 236 256 302 376E (GPa) 103 114 115 120 123 126

HB 177 197 212 223 246 288

3,33 2,86 0,76 0,08 0,18Rm (MPa) 147 195 236 237 266 335E (GPa) 75 94 102 107 110 115

HB 153 159 175 197 218 256

3,68 2,82 0,66 0,06 0,18Rm (MPa) 133 138 139 163 189 220E (GPa) 86 90 92 99 95 103

HB 149 156 156 156 202 214

3,18 1,75 0,58 0,13 0,20Rm (MPa) 234 269 290 312E (GPa) 133 134 135 141

HB 206 207 212 231

3,26 1,73 0Rm (MPa) 202 234 280 298 309

3,53 1,70 0

3,53 1,35 0

3,04 2,88 0

3,12 1,84 1

(1) Rm (MPa) rsistance laE (GPa) module dlasHB duret Brinell

Figure 17 Diagramme de (doc. de lInstitut autrichien de la reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

Sans aborder ici ltude des fontes allies, on peut mentionnerque de faibles teneurs en nickel, cuivre ou molybdne (de lordredu pourcent) ont, dans une fonte de base convenable, lavantagede diminuer parfois considrablement la sensibilit lpaisseur.

1.3.4 Traitements divers

Sans compter les traitements du mtal liquide voqus auparagraphe 1.3.1, on peut encore agir sur la structure et lesproprits des fontes moules par des traitements divers, post-rieurs la solidification dans le moule.

Dabord, les conditions normales du refroidissement dans lemoule peuvent tre modifies volontairement par le fondeur. Ainsi,en dcochant au rouge et en laissant lair libre des pices moulesen sable, on acclre leur refroidissement et on limite ainsi lappa-rition de ferrite ; au contraire en les entassant les unes au contactdes autres, on peut ralentir le refroidissement et favoriser ladcomposition des carbures par une sorte dautorecuit. En dehorsdu cas de la coule en coquille, ces procds nont que des effetspeu importants sur les fontes non allies. De toute faon, on na pasainsi la prcision rigoureuse dun vritable traitement thermique.

ce sujet, nous renvoyons le lecteur larticle Traitements ther-miques des fontes [M 1 145] de ce trait o il trouvera les rensei-gnements ncessaires.

,58 0,08 0,20 E (GPa) 118 128 132 130 137HB 186 193 204 218 246

,54 0,04 0,27Rm (MPa) 133 152 195 245 251E (GPa) 93 107 109 111 119,5

HB 153 159 170 197 222

,56 0,05 0,22Rm (MPa) 95 153 177 210 236E (GPa) 110 115 119 119 125

HB 157 158 189 211 222

,73 0,05 0,98Rm (MPa) 92 125 162 196 234 280E (GPa) 105 120 118 126 132 199

HB 193 211 229 241 257 285

,07 0,09 1,01Rm (MPa) 116 186 251 280E (GPa) 126 133 137 146

HB 184 240 262 276

tractionticit longitudinale mesur au pendule Le Rolland mesure au centre de la section.

sensibilit lpaisseur des fontes grises fonderie de Leoben)



Les possibilits des traitements superficiels de trempe et dedurcissement thermochimique sont voques la fin de ce mmearticle.

La dformation par des procds mcaniques (crouissage,galetage, grenaillage de prcontrainte, etc.) froid ou chaudnest pas pratique pour modifier les proprits des fontesordinaires ( 5.4).

1.3.5 Choix de la composition chimiquedune fonte grise non allie

1.3.5.1 Pices dpaisseurs moyennes ou faibles,sans caractristiques mcaniques dfinies

Il sagit des pices telles quenveloppes, carters, botiers,radiateurs de chauffage central. Certaines doivent tre mailles :baignoires, cuves pour lindustrie chimique, etc., ou prsenter un belaspect : pices dornement, etc.

Les pices en question ont des paisseurs variant de 2,5 10 mmet ont souvent des surfaces tendues. Un prix de revient modret une excellente coulabilit sont les qualits primordialesrecherches.

Le carbone quivalent Cq. sera compris entre 4,3 et 4,5 %(optimum de coulabilit).

Composition chimique courante (cubilot) C : 3,2 3,5 % ;Si : rgler suivant lpaisseu

lement compris entre 1,3 etMn : 0,5 % ;S : 0,08 0,12 % ;P : 0,8 1,2 %.

En cas dlaboration au four lectriqueteneurs en soufre et en phosphore plus basrespecter (sans rajouter de phosphore, saufformules suivantes (en %) :

1.3.5.2 Pices devant rsister des cho

Non seulement les lingotires dacirie, mde lingotires, moules ou coquilles, refroidispices de freinage, doivent avant tout

thermiques. Pour avoir une haute conductivit thermique et un faiblemodule dlasticit, la condition essentielle est de viser une teneuren carbone relativement leve :

C > 3,4 % (pices mcaniques) ;C > 3,6 % (lingotires et moules).

Il faut viter surtout davoir simultanment un phosphore levet un carbone bas (tapures). La teneur en silicium devra tre suffi-sante pour viter la formation des carbures.

Le carbone quivalent sera aussi lev que possible, sauf risquede sgrgation graphitique (pices paisses) ou de caractristiquesmcaniques insuffisantes ( 1.3.5.3).

Fonte pour lingotire dacirie :C : 3,8 4 % ;Si : 1,2 1,8 % ;Mn : 0,5 1 % ;S : < 0,12 % ;P : < 0,20 % ;Cq. : > 4,3 %.

Fonte pour tambour de frein (vhicule lger) :C : 3,4 3,5 % ;Si : 2 2,3 % ;Mn : 0,5 1 % ;S : < 0,12 % ;

4,3 C 13----- Si P+( )+ 4

Mn 1,72 S 0,30+

Tableau 6 Choix de len fonct

Rsistance la traction

Teneuren carbone

Teneuren phosphore

(MPa) (%) (%)

150 200 3,2 3,5 0,8 1,2200 250 3,1 3,4 0,6 0,8250 300 3,0 3,3 < 0,4300 400 2,9 3,2 < 0,2

(1) Il sagit de la teneur finale en silicium aprs vutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 380 15

:

r (tableau 6), gnra- 3 % ;

, on pourra avoir desses ; limportant est de cas exceptionnels) les

cs thermiques

ais bien dautres typesseurs, pices de fours,rsister des chocs

P : < 0,20 % ;Cq. : > 4,1 %.

1.3.5.3 Pices devant rsister des sollicitations mcaniques dterminantes

1.3.5.3.1 Recherche de la rsistance la traction ncessaire et du diamtre quivalent

On doit choisir une fonte de qualit convenable dans la normeNF A 32 -101 Pices moules en fonte grise non allie . On utilise lescorrlations reliant statistiquement les diverses proprits mca-niques (caractristiques statiques ou dynamiques) pour dfinir, enliaison avec le concepteur, la rsistance la traction minimale nces-saire dans les parties de pices dpaisseur dterminante (sectionsles plus sollicites o lon pense que le taux de contrainte est le pluscritique).

Des correspondances approximatives entre les principalescaractristiques mcaniques sont donnes dans le tableau 7.

La rsistance la traction minimale ncessaire ayant t ainsidfinie (avec un coefficient de scurit convenable), la normeNF A 32-101 (de juin 1987) indique la qualit correspondante(FGL 250 par exemple) ; voir aussi le paragraphe 2.1.1. (0)

(0) 1.3.5.3.2 Recherche du carbone quivalent approximatifCertaines formules (corrlations statistiques tablies sur des

populations de rfrence par divers auteurs) permettent de relier

,5

a teneur en silicium ( titre indicatif) dune fonte grise non allie,ion de lpaisseur des pices (moules au sable) (1)

Teneur en silicium (%) pour une paisseur moyenne de :

5 mm 10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm 75 mm

2,6 2,3 2,4 2,1 1,9 2,0 1,8 1,9 1,7 1,8 1,62,3 2,0 2,1 1,8 1,6 1,7 1,5 1,6 1,4 1,5 1,32,1 1,8 1,9 1,6 1,4 1,5 1,3 1,4 1,3

1,9 2,0 1,7 1,4 1,6 1,4 1,3

entuelle inoculation (recommandable ou obligatoire pour ).Rm 250 MPa


TouteM 380 16

paisseur (ou diamtre), rsistance la traction Rm et lments dela composition chimique.

a) Formule valable pour = 30 mm seulement :

avec R30 (MPa) rsistance dans le jet de 30 mm de diamtre.

La rgression inverse es

Si lon na aucune concompter avec une trs largele cadre dune fabrication pcoup plus rduite.

b) Formules daprs June suite de diamtres chtance la traction et lindic

On dduit de ces formutableau 8, donnant la rsisfonction de la rsistance R

1.3.5.3.3 Recherche de Compte tenu des teneur

teneur en silicium doit moyenne des pices et dtableau 6.

Il est entendu quen pratidevront tre ajustes largedes charges, lefficacit de la nature du sable de mou

1.3.5.3.4 Recoupement La composition viser

tenu de ce qui prcde, onWeis et Orths [41] o HB e

Rm (MPa) = 263

(valable dans un assez large domaine dpaisseurs de pices,cest--dire de 5 75 mm).

On verra alors si la duret prvue est vraisemblable et acceptable.

Tableau 7 Correspondances approximativesentre les principales caractristiques mcaniques

des fontes grises

Rsistance la traction ................................... RmLimite conventionnelle dlasticit 0,2 % ... (0,8 0,9) RmRsistance la flexion .................................... (1,5 2,5) RmRsistance au cisaillement (MPa) .................. Rm + (40 100)Rsistance la compression .......................... (2,5 4) RmRsistance la torsion .................................... (0,9 1,5) RmLimite de fatigue (flexion rotative) ................. (0,3 0,5)

R

m

Rsistance aux chocs ...................................... augmente avec

R

m

Par

exemple

, pour

R

30

= 200 MPa, on trouve C

q

. = 4,39 % (fontetrs lgrement hypereutec

Par

exemple

, si lon dpartie de pice dpaisseur

trouve

R

30

= 345 MPa.Le carbone quivalent v

5,15 0

C 13----- Si P+( )+ Cq. 5,15 0,003 8 R 30 = =

R30 874 145=

Sc =

Tableau 8 Rsistance

R

30

dans le jet ( 30 mm)en fonction de la rsistance

R

m

souhaitepour chaque diamtre

(1)

Diamtre

(mm)

R

30

(2)

(MPa)

7,5 2

R

m

65010 1,5

R

m

33315 1,2

R

m

14720 1,07

R

m

6240 0,97

R

m

+ 3550 0,97

R

m

+ 4560 0,97

R

m

+ 6090 0,97

R

m

+ 98

(1) Daprs Jungbluth [81].(2)

R

m

est galement exprime en mgapascals (MPa).

Reprenons l

exemple

prcdent o, pour obtenir

R

= 320 MPa dans



t la suivante :

naissance de la fabrication, on devra dispersion (

K

= 70). Bien entendu, dansarticulire, la dispersion devra tre beau-

ungbluth

[81] : celles-ci donnent, pourelonns, des corrlations entre la rsis-e de saturation

S

c

dfini par :

les, en liminant

S

c

, les relations du

tance

R

30

dans le jet de

= 30 mm en

m

souhaite pour chaque diamtre.

la teneur en silicium

s en carbone et phosphore usuelles, latre rgle en fonction de lpaisseure la rsistance recherche, laide du

que les valeurs indicatives de ce tableaument suivant le type de fusion, la naturelinoculation, les conditions de coule etlage. (0)

par estimation de la duret (5 lments) ayant t dfinie, compte pourra utiliser la formule suivante de

st la duret Brinell cur :

65 C 26 Si 32 P + 1,3 HB

Cest bien entendu lexprience qui permettra lajustement mutueldfinitif de la composition chimique, de la nature des charges, dutaux dinoculation, de la temprature de coule, etc.

De toute faon, pour que le masselottage soit efficace, on imposera

a priori

:

En cas de difficult, la rsistance pourra tre renforce (de 10 30 MPa) par laddition dlments dalliage choisis bon escient(article

Fontes spciales allies

[M 400] dans ce trait).

Nota :

pour les fontes coules en coquille mtallique, les rgles et formules prcdentesne sont pas valables et la composition chimique est choisie en fonction dune exprienceparticulire que nous nabordons pas ici. Le lecteur se reportera donc en [82].

2. Caractristiques mcaniques

Nota :

le lecteur se reportera galement aux articles

Essais mcaniques des mtaux

[M 120] [M 123] [M 125] dans ce trait.

Du point de vue de lutilisateur des pices moules en fontegrise, nous distinguerons successivement :

les caractristiques mcaniques

, mesurant par des essaisventuellement normaliss la rsistance aux sollicitations statiquesou dynamiques ; parmi elles, la rsistance la traction est la basede la classification des diffrentes qualits normalises(norme NF A 32-101) ;

les proprits mcaniques dutilisation , non moins impor-tantes que les prcdentes mais que, malheureusement, on ne saitencore ni dfinir ni mesurer de faon simple et gnrale, commepar exemple lusinabilit ;

les autres proprits

(rsistance aux corrosions, caractris-tiques physiques, magntiques, lectriques, etc.) dont limportance

tique).

sire une rsistance de 320 MPa dans une quivalente 20 mm, soit = 40 mm, on

iser [voir en a )] sera voisin de :

,003 8 345 = 3,84 %

C 13----- Si P+( )+ K MPa( )

C

4,3 13----- Si P+( )

--------------------------------------------

lpaisseur 20 mm, on envisage un carbone quivalent de 3,8 %.Compte tenu du tableau 5, lon essaiera :

C = 3,2 % ;Si = 1,6 % (y compris linoculation) ;P = 0,2 %.On trouve alors, par la formule prcdente : HB = 241.Sauf spcification contraire, cette duret est acceptable daprs la

norme NF A 32-101 annexe B, figure 8 (qualit FGL 300).

Cq. 3,60 %



est gnralement rduite dans le cas des fontes ordinaires et quilsuffit de dcrire globalement pour satisfaire aux besoins du praticien.

On examinera en outre comment la temprature demploi inter-vient pour modifier les principales proprits.

2.1 Caractristiques mcaniques fondamentales

Nous appellerons caractristiques mcaniques fondamentalescelles qui, tant aisment mesurables, ont fait lobjet dtudesnombreuses et approfondies, et partir desquelles on peut se faireune bonne ide du comportement mcanique gnral de la fonte ;ce sont :

la rsistance la traction, base de la normalisation des qualitsde fontes grises non allies ;

la duret ; le module dlasticit.

2.1.1 Rsistance la traction

Depuis lapplication aux fontes de la mtallographie, les carac-tristiques mcaniques de ces matriaux, et notamment leur rsis-tance la traction, nont cess de salallongement de rupture reste trs faible en radu graphite et on ne le mesure pas en pratiqinfrieur 1 %).

2.1.1.1 Normalisation

Pour des raisons de commodit, par analogie avec les autresalliages mouls et faute de pouvoir dfinir utilement une limitedlasticit (en raison de la courbure du diagramme de traction),cest la rsistance la traction Rm , exprime en mgapascals(MPa), qui est la base de la classification des fontes grises.

La norme NF A 32-101 de dcembre 1965 classait donc les fontesdaprs lessai de traction sur des prouvettes coules sparmentet de diamtre adapt lpaisseur dterminante des picesreprsentes, cest--dire lpaisseur quivalente de leurs lmentsparaissant les plus critiques au regard des contraintes enservice ( 1.3.5).

Pour rester en harmonie avec la norme ISO R 185 (1961), lanouvelle dition de la norme NF A 32-101 Pices moules en fonte graphite lamellaire de juin 1987 classe et dsigne les fontes deplusieurs manires.

Daprs la rsistance la traction minimale garantie mesuredans un barreau coul sparment, de 30 mm de diamtre ; la rsis-tance la traction (minimale) probable dans les pices est indiquesans garantie en relation avec lpaisseur, suivant un tableau per-mettant de guider le choix de lutilisateur (tableau 9). Cest lamthode de base.

Daprs la rsistance la traction mesure dans des

Daprs la duret Brinell mesure sur en des points convenus. Cette mthode, fignorme, peut sappliquer accessoirement prsente plus dintrt que la rsistance mses rapports avec lusinabilit et le comport

Tableau 9 (T

Nuances

Valeurs ga

Rsistance minimale( obtenir sur prou

usine dans un barreade 30 mm de

(MPa

FGL 150 150(1)

FGL 200 200(1)

FGL 250 250(1)

FGL 300 300(1)

FGL 350 350(1)

FGL 400 400(1)

(1) Une fonte graphite lamellaire de nuance dfiaugmente de 100 MPa, sauf accord contraire


M 380

17

mliorer. Toutefois,ison de la morphologieue (il est gnralement

chantillons attenants ou adhrents aux pices

(figure

18

) ; iciencore la valeur minimale probable dans la pice est donne titreindicatif selon lpaisseur (tableau

10

). Cette mthode ne peutsappliquer quaux pices relativement grosses (paisseur sup-rieure 20 mm ou masse suprieure 200 kg). (0)

les pices elles-mmes

urant en annexe de laaux cas o la duret

canique, en raison deement lusure.

Paralllement, les anciennes dsignations (Ft 25D, par exemple)sont remplaces par dautres, telles que les suivantes :

FGL 250 :

qualit de fonte dont la rsistance la tractionmesure par prlvement dans un barreau standard de

30 mmest au moins gale 250 MPa ;

Classification daprs essai sur barreau coul part

ableau 1 de la norme NF A 32-101 de juin 1987)

ranties Valeurs titre indicatif

la traction

R

m

vette de 20 mm u brut coul part diamtre))

paisseur de la pice

(mm)

Rsistance la traction probable sur pice

R

m

plus de jusquet y compris

(MPa)

2,51020

102040

155130120

2,51020

102040

205180165

51020

102040

250225205

1020

2040

270245

1020

2040

315285

1020

2040

355315

nie ne doit pas avoir une rsistance maximale la traction suprieure la valeur de la qualit pralable entre client et fondeur.


TouteM 380 18

FGL 250 A : qualit mesure par prlvement moins gale 165 ou 180des pices (tableau 10) ;

FGL HB 220 : qualitsur pices est comprise dansuivant lpaisseur, par le

Il nest pas tabli de corrtions mais on notera que, pdu mme mtal liquide co

On voit que la rsistance schelonne de 100 40courantes. Pour seulementdonnerons lexemple dun pune rsistance la traction dcorrecte du carbone (3,1 %

Nous allons voir maintensition dterminent la rsist

2.1.1.2 Diagramme trian

En se reportant aux caracon peut dire que la rsistandautant plus grande que lale moins abondant possiblesa forme et son mode de r

Pour la matrice, on sait qupar comparaison la ferrite

Cela, confirm par lexprience, explique pourquoi les fontes hautersistance ( la traction) sont de structure perlitique. Pour une fontedonne, daprs les diagrammes dquilibre, il ny a thoriquementquune seule teneur en carbone combin qui corresponde la struc-ture perlitique et cest prcisment celle de la teneur en carbone dela perlite ; pour une teneur plus leve, il apparat de la cmentitelibre, et pour une teneur infrieure, cest la ferrite libre qui semanifeste.

En consquence, pour une fonte ayant une teneur donne encarbone total, il ny a quune seule valeur du carbone graphitiquequi caractrise la structure perlitique.

Comme, par ailleurs, on remarque que les valeurs de rsistancecroissent quand la teneur en carbone total diminue, il est possiblesur le diagramme de A. Portevin de faire figurer des courbes dgalersistance la traction (figure 19) qui donnent une image remar-quable de lintrt des fontes perlitiques.

Sur ce mme diagramme, on peut galement faire figurer lescourbes dgale duret, puisque celle-ci crot avec la teneur encarbone combin. Ce sont des droites peu prs parallles Oy ;toutefois comme, galit de carbone combin, la duret diminuelgrement avec laccroissement du graphite (prsence de plusgrosses lamelles), ces droites sont un peu plus inclines surlhorizontale.

Figure 18 Blocs-chantillo

(daprs norme NF A 32-101)



de fonte dont la rsistance la tractiondans une prouvette attenante est au

ou 200 ou 220 MPa suivant lpaisseur

de fonte dont la duret Brinell, mesures une fourchette de 75 90 points fixe

tableau A1 de la norme NF A 32-101.

espondance entre ces diverses dsigna-our les exemples choisis ici, il peut sagirul sous diffrentes formes.

la traction des fontes grises non allies0 MPa, du moins pour les paisseurs voquer les pices trs massives, nouslateau dpaisseur 350 mm ayant cure 220 240 MPa, grce une adaptation

) et du silicium (1 %).

ant comment la structure et la compo-ance la traction. (0)

gulaire de A. Portevin

tristiques des constituants structuraux,ce dune fonte aux efforts de traction est matrice est plus rsistante et le graphite ( 2.1.1.4), compte tenu de sa grosseur,partition.

e la perlite est llment le plus rsistant trop douce et la cmentite trop fragile.

2.1.1.3 Adaptation du silicium lpaisseur

Pour rgler la tendance la graphitisation et obtenir la structureet la rsistance voulues, suivant la vitesse de refroidissement dansle moule, le fondeur choisit convenablement la teneur en silicium,en fonction de sa technique propre.

Nota :

rappelons que la vitesse de refroidissement dans le moule est lie la

massivet

ou plus prcisment, au

module de refroidissement

volume/surface qui, dans les cassimples, est reprsent par une caractristique dimensionnelle concrte (paisseur).

Depuis Maurer (en 1924), on a essay de relier par des diagrammesla structure dune fonte ordinaire coule sous une paisseur donne, ses teneurs en carbone et silicium.

Aujourdhui, le diagramme de Maurer na plus quun intrt histo-rique. Le rle trs important, dcouvert depuis, des autres facteursmtallurgiques tudis au paragraphe 1.3 te tout espoir daboutir une correspondance vraiment prcise entre la structure, lpaisseuret les teneurs en quelques lments chimiques seulement.

Cependant ltude de H. Laplanche [21] apporte des indicationsprsentant, au moins qualitativement, un grand intrt. Les rsultatsdes essais de lauteur et de ses rflexions sur le diagramme Fe-Silont conduit une formule donnant la tendance la graphitisationen fonction de la teneur en carbone et de la teneur en silicium pourune vitesse donne de refroidissement. Par exemple, avec desbarreaux de 30 mm de diamtre, couls dans du sable de fonderieordinaire, la tendance la graphitisation est repre par un facteur

K

qui scrit :

Dans le diagramme de la figure

20

, on a trac les courbes K = Ctedlimitant des domaines correspondant un type de structuredonn. Les fontes haute rsistance mcanique se trouvent dansle domaine II au voisinage du domaine IIa. La figure 21 montrecomment les frontires du domaine II se dplacent en fonction dudiamtre du jet reprsentatif de lpaisseur des pices en considrantque K conserve la mme expression (lauteur indique sur dautresdiagrammes semblables le dplacement de ces frontires souslinfluence des principaux lments dalliage). On voit quen pratiquela teneur en silicium peut varier assez largement et quil appartientau fondeur de la prciser en fonction dautres considrations et delexprience directe (tableau 6).

ns attenant ou adhrant la pice

K 43------ Si 1 53 C Si+---------------------- =



2.1.1.4 Influence de la morphologie du

Le graphite, sous quelque forme que ce matrice des vides qui affaiblissent la capacfonte aux efforts de traction ; moins il y au

Tableau 10 Classification daprs essai sur prouvette attenante ou adhrante(Tableau 2 de la norme NF A 32-101 de juin 1987)

Nuances

paisseur des pices eRsistance minimale la traction Rm

(mm) Valeurs garanties(MPa) Valeurs sur pices

( titre indicatif)

(MPa)plusde

jusquet y compris

sur prouvetteusine 20 mm

sur prouvetteusine 30 mm

FGL 150 A

204080

150

4080

150300

130115

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................105100

1201059080

FGL 200 A

204080

150

4080

150300

180160

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................145135

165145130120

FGL 250 A

204080

150

4080

150300

220200

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................180165

205180165150

FGL 300 A

204080

150

FGL 350 A

204080

150

FGL 400 A204080

Figure 19 Diagramme de A. Portevin :position des courbes dgale rsistance et d


M 380

19

graphite

soit, cre au sein de la

it de rsistance de lara de graphite, toutes

choses gales par ailleurs, et plus la rsistance sera leve. Celamontre lintrt des fontes carbone relativement bas (C < 3,2 %) ;cest laspect quantitatif du problme.

Mais le graphite agit aussi du fait de sa prsence en lamelles plusou moins aigus en faisant intervenir deux notions distinctes [23] :

leffet de striction ; leffet dentaille.

2.1.1.4.1 Effet de striction

Il est essentiellement li la rpartition du graphite. Sil tait pos-sible de raliser une rpartition fibreuse (figure 22a ) du graphitedans la direction des sollicitations extrieures, on saurait par-faitement que, pour un effort total F appliqu au tronon considrde section S, il y aurait un accroissement de la tension moyenne Tgal :

avec Sm section de la matrice, cest--dire S diminue de lasection du graphite.

En admettant une fonte environ 3,5 % C, laccroissement detension se situe prs de 18 %.

Si maintenant, le graphite, en proportion identique, est supposrparti suivant le schma de la figure 22b, leffort total restantconstant, on voit que la tension moyenne dans la matrice est nota-blement augmente, car le cheminement des lignes de forces suitle trac tourment de la matrice qui, en chaque point considr, neprsente plus quune section rduite de 50 % ; il sensuit un accrois-sement correspondant de la tension relle de la matrice, trs sup-rieur au cas prcdent (figure 22a ).

4080

150300

260235

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................210195

245215195180

4080

150300

300270

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................240215

285255225205

4080

150

340310

.....................................

.....................................

.....................................270

315285235

gale duret

FS SmS Sm

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TouteM 380 20

2.1.1.4.2 Effet dentailleIl ne doit pas tre confon

rtrcissements des chemprovoquent un accroisseaccroissement des tension

par des accroissements localiss de tensions se mesurant non plusen valeurs moyennes, mais en valeurs maximales.

La figure 23 rappelle schmatiquement ce que provoque leff

m380

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