metallurgie descriptive
DESCRIPTION
METALLURGIE DESCRIPTIVE. Alliages ferreux. Aciers. Fontes. Alliages non-ferreux. Composites. Alliages d’Aluminium. Alliages de titane. Alliages de Cuivre. Les différentes familles de matériaux. Métalliques. Polymères. Céramiques. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
METALLURGIEMETALLURGIE
DESCRIPTIVEDESCRIPTIVE
Composites
Cér
amiq
uesPolym
ères
MétalliquesAlliages ferreux
FontesAciers
Alliages non-ferreux
Alliagesd’Aluminium
Alliagesde Cuivre
Alliagesde titane
Les différentes familles de matériaux
Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile).
Chapitre II - Les fontes
Sommaire
Introduction et définitions
Les différentes familles de fontes
Désignation normalisée des fontes
Introduction et définitions
Diagramme Fer-Carbone : Fontes
Fontes(2% < %m C < 6,67%)
Définitions :
Les fontes sont des alliages dont la teneur en carbone est supérieure à 2% en masse
Les fontes subissent toujours la transformation eutectique (vers 1140°C)
Fontes blanches :carbone se retrouve toujours sous forme de cémentite
Fontes grises :carbone se retrouve sous forme de graphite libre (carbone pur) et de cémentite
Introduction : les fontes
La dénomination de fontes concerne un grand nombre d’alliages de fer dont les microstructures et les propriétés physiques sont très diverses. La teneur en carbone est supérieure à 2%
Lors du refroidissement : passage du palier eutectique (1153°C)
solidification de l’eutectique (4,25 % C)
mélange biphasé
98 % de + 2 % de carbone pur sous forme de graphite (diagramme stable fer-graphite)
52 % de + 48 % de Fe3C
mélange dit « lédéburite » (diagramme métastable fer-cémentite)
Réglée par v de refroidissement et par la présence d’éléments d’addition - « graphitisants » (Si)- ou « antigraphitisants » (Mn)
Introduction : les fontes
Au passage du palier eutectoïde (0,8 % C, 723°C), toute l’austénite tend à se décomposer pour les deux cas en perlite
Refroidissement rapidement
La totalité du carbone peut se combiner au fer pour former : la cémentite
et les fontes blanches
Refroidissement lent
La cémentite (composé métastable) se décompose en graphite et ferrite avec une teneur en carbone élevée et des éléments d’addition graphitisants, toutes les conditions sont réunies pour la formation de fontes grises
structure de la fonte blanche structure d’une fonte grise
Les différents types de fontes
Les différents types de fontes : fontes blanches
Fontes blanches (à cémentite)
- Pas de graphite - Souvent un peu de Mn
A gauche de la composition eutectique :
Fonte blanche hypoeutectique
A l’équilibre et à T ambiante : - Matrice cémentite et - Blocs de perlite (décomp. phase à 723°C)
A droite de la composition eutectique :
Fonte blanche hypereutectique
A T ambiante : - Plaquettes de cémentite primaire (formées au-dessus de 1153°C) - Entourées de cémentite secondaire (formée entre 1153 et 723°C) et de perlite
Les différents types de fontes : fontes blanches
Fontes blanches (à cémentite)
Matrice quasi continue de cémentite:- Pas de déformation à froid- Tenue aux chocs faible- Résistance à l’usure bonne- Usinabilité difficile- Résistance mécanique ~ 250 à 500 MPa (en traction)- Dureté HB ~ 400 à 600
Ténacité et ductilité ~ fontes grises à graphite sphéroïdal- Aptitude au moulage en faible épaisseur- Facilement usinables. - Résistance mécanique ~ 350 à 700 MPa avec A variant de 15 à 2 % respectivement
éliminer le C de la cémentite ou précipiter partiellement le C sous forme de graphite
Fontes malléables à cœur noirFontes malléables à cœur blanc
structure de la fonte blanche Traitements thermiques :
Nouvelles propriétés :
Les différents types de fontes : fontes grises
Fontes grises (à graphite)
Carbone sous forme de graphite (phase de carbone pur)- Très faible résistance mécanique- Faible densité- Se délite en feuillets minces
Selon la teneur en C et les éléments d’addition et selon les conditions de refroidissement différentes microstructures à T ambiante : - [graphite + perlite + cémentite]
- ou [graphite + perlite + ferrite] - ou [graphite + perlite]
La morphologie des grains de graphite permet de distinguer deux types : fontes grises à graphite lamellaire et fontes grises à graphite sphéroïdal
Les différents types de fontes : fontes grises
Fontes grises (à graphite)
Propriétés mécaniques- Graphite faible résistance mécanique - Sensibilité à la fissuration liée à la forme de la phase (entaille de forme sphérique
à lamellaire)- Capacité d’amortissement considérable
Les fontes grises lamellaires- Les plus économiques et les plus utilisées- Ductilité faible (A < 1 %) - Résistance mécanique médiocre en traction (Rm = 150 à 300 MPa)- Résistance en compression très bonne (Rm = 600 à 1200 MPa). - Usinabilité bonne
Les fontes grises à graphite sphéroïdal - Matrice perlitique résistante en traction (Rm = 600 à 800 MPa) - Peu ductile (A ~ 1 à 5 %).
Fortement alliées, les fontes grises se « spécialisent » : - résistance à la corrosion - résistance en haute température - résistance aux chocs thermiques...
Les différents types de fontes : fontes malléables
Fontes malléables
Fontes qui acquièrent une résistance et une capacité de déformation par des traitements thermiques appropriés
Pièces petites et moyennes exigeant résistance et capacité de déformation
Les différentes type de fontes malléables :
- Malléables à cœur blanc
- Malléables nodulaires ferritiques
- Malléables nodulaires perlitiques
- Malléables nodulaires bainitiques
Nuances perlitiques constituent environ 50% de la production totale
La plus forte baisse a concerné la fonte malléable à cœur blanc qui, dans certains pays, comme la France, a presque complètement disparu
Les différents types de fontes : fontes malléables
Différentes types de fontes malléables :
Malléables à coeur blanc - Soudabilité : unique fonte exempte de graphite parfaitement et facilement
soudable sans risque de création de carbures - Grande facilité de galvanisation à chaud (faible taux de Si et absence de graphite en surface)- Bonne tenue à chaud - Bonne aptitude au polissage
Malléables nodulaires perlitiques - Caractéristiques mécaniques élevées ;- Bon comportement à l’usure par frottement ;- Bonne usinabilité (obtention de la structure perlitique par traitement thermique)- Bonne aptitude aux traitements superficiels (trempe à haute fréquence)
Malléables nodulaires ferritiques- Excellente usinabilité (présence de nodules de graphite) - Bonne résistance aux chocs à basse température - Limite et module d’élasticité élevés - Bonne aptitude à la galvanisation à chaud
Les différents types de fontes : fontes malléables
Différentes types de fontes malléables :
Malléables nodulaires bainitiques - Très hautes caractéristiques mécaniques associées à une bonne ductilité - Possibilité d’écrouissage en service augmentation de la limite de fatigue - Très bonne résistance à l’usure par frottement et abrasion
Application des fontes malléables :
- Automobile et poids-lourds : carters et boîtiers de différentiel, culbuteurs, fourchettes, moyeux, pièces de freins et de boîtes de vitesses automatiques, etc
- Tracteurs et machinisme agricole
- Matériel ferroviaire : wagons, selles de rails, supports d’appareillage de contrôle, coussinets de glissement d’aiguillage, pièces de suspension de caténaires, etc. - Matériel de travaux publics
- Électrification : capots d’isolateurs, palonniers, pinces, etc. (pièces galvanisées) - Quincaillerie : raccords, chapeaux de bouteilles de gaz, étaux et outillage à main - Robinetterie : vannes, volants
- Bâtiment : pièces d’étais et d’échafaudages, pièces de précontrainte - Équipement routier : pièces de garde-corps et de signalisation - Electroménager : pièces de compresseurs et de conditionneurs d’air
Les différents types de fontes : fontes malléables
Élaboration des fontes malléables :
Objectif : graphitiser la cémentite des fontes blanches.
Traitement comporte plusieurs étapes :
- Chauffage lent (50°C/h) jusqu’à atteindre une T comprise entre 850°C et 950°C
- Maintien en atmosphère neutre, pendant ~ 40 h, à la T atteinte à la fin du chauffage
- Refroidissement lent (25°C/h) jusqu’à 750°C
- Refroidissement très lent (2 à 3°C/h) jusqu’à 720°C
- Refroidissement au four jusqu’à T ambiante
Ce traitement permet de former les nodules de graphite dans la matrice ferritique.
Les différentes variétés de fontes malléables sont obtenues en jouant sur les vitesses de refroidissement
Les différents types de fontes : fontes malléables
Les fontes malléables :
Structure de fonte malléable ferritique Structure de fonte malléable perlitique
Structure de fonte malléable bainitique
Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal alliages fer-carbone-silicium
Composition
- Teneur en Carbone > 3 % - Teneur en Silicium ~ 1,5 à 4 % - Présence de manganèse- Teneur en phosphore < 0,08 % - Teneur en souffre < 0,02 %
Additions et traitements
Addition de cérium et surtout de magnésium
(~ 0,02 à 0,10 %)
Traitements métallurgiques appropriés
+ Graphite sous forme sphérique
Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Addition de produit sphéroïdisant – précaution d’usage
Le magnésium : très avide d’oxygène et de soufre
Lors de son introduction dans le bain métallique, Mg se combine avec S et l’élimine
presque totalement
Intérêt de disposer d’une fonte de base désoxydée et contenant très peu de S pour éviter une
perte du produit sphéroïdisant
Le produit sphéroïdisant est introduit :- Soit dans la poche de traitement- Soit dans le moule- Parfois dans les deux simultanément
En raison du caractère carburigène du magnésium, il est indispensable de pratiquer une inoculation ou addition tardive de ferrosilicium pour éviter la présence de carbures et obtenir une structure grise
Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Propriétés physiques
Propriétés mécaniques et physiques des fontes leur structure métallique (contenant du carbone libre)
C sous sa forme naturelle : lamellaire
Fragiliser l’ensemble
Les lamelles, solution de continuité, constituant autant
d’amorces de rupture
C sous forme de sphéroïdes ou de nodules
Disparition de la fragilité Amélioration de l’allongement
Amélioration du comportement à la fatigue
Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Carbone libre aux fontes des avantages indiscutables :
- Bon comportement à la compression, permettant une certaine élasticité de l’ensemble
- Dans certains milieux, bon comportement au regard de la corrosion(cheminement ralenti ou arrêté par C qui se comporte alors comme un maillage filtrant)
- Comportement en fatigue satisfaisant, surtout pour les fontes ferrito-perlitiques : il suffit pour s’en convaincre de rappeler que des bras de suspension de véhicule sont quotidiennement réalisés en fonte à graphite sphéroïdal
Économiquement, les fontes à graphite sphéroïdal sont intéressantes pour :
- Qualités de fonderie ~ fontes lamellaires
- Leurs températures de coulée et leur coulabilité sont très voisines
- Retraits < à ceux des fontes lamellaires et des aciers risque de criques
Fontes à graphite sphéroïdal en progression dans tous les secteurs industriels et tous les pays La maîtrise de leur procédé d’élaboration en fait un produit parfaitement fiable
Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)
Caractéristiques mécaniques mesurées sur des éprouvettes usinées dans des échantillons coulées à part (d’après la norme NF EN 1563)
Désignation normalisée des fontes
Désignation normalisée des fontes
Norme : NF EN 1560-1
Désignation symbolique des fontes
EN-GJ L 150S
Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte Une ou deux lettres
Ces lettres indiquent :1ère Structure du graphite2nde Structure particulière
Codé selon 3 variantes
Désignation normalisée des fontes
Norme : NF EN 1560-1
Signification des 2 lettres après EN-GJ EN-GJ L 150S
Première lettre : Structure du graphite
L : Lamellaire
S : Sphéroïdale
M : Graphite de recuit (malléable)
Y : Structure spéciale
N : Absence de graphite
Seconde lettre : structure spécifiée
A : Austénitique
F :Ferritique
P : Perlitique
L : Lédeburitique
Q : État trempé
T : État trempé revenu
B : Malléable à coeur noir
W : Malléable à coeur blanc
Désignation normalisée des fontes
Norme : NF EN 1560-1
Codage de la dernière zone : 3 variantes
EN-GJL 400C 150RT1ère variante :
Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte
de type graphite lamellaire
Un nombre suivi d’une lettre
Le nombre suivi de RT ou LT représente la résilience
mini mesurée à Room Temperature (RT) ou à Low
Temperature (LT)Le nombre seul représente l’allongement minimal exigé en %
La lettre indique le mode de prélèvement de l’éprouvette
S : échantillon coulé séparément
U : échantillon attenant
C : échantillon prélevé sur la pièce
N.B. : Dans le cas ou l’on voudrait afficher un allongement ET une résilience, il faut les séparer par un tiret
Désignation normalisée des fontes
Norme : NF EN 1560-1
Codage de la dernière zone : 3 variantes
EN-GJS HB1802nde variante :
Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte
de type graphite sphéroïdal
La lettre H
indique que la fonte est classée suivant sa dureté
suivie d’une lettre qui renseigne sur le type d’essai
B pour Brinell,
V pour Vickers,
R pour Rockwell,
et enfin, un nombre qui indique la dureté prescrite
Désignation normalisée des fontes
Norme : NF EN 1560-1
Codage de la dernière zone : 3 variantes
EN-GJN X 300 Cr Ni Si 9-5-2 3ème variante :
Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte de type sans graphite
(fonte blanche) La lettre X suivie d’une série de
symboles chimiques puis de nombres
dont le système est rigoureusement le même que celui d’un acier
fortement allié : 3 % de C9% de Cr
5% de Ni 2% de Si