Etude et optimisation de la solidification d'aciers faiblement alliés lors du process de fonderie par inoculation PDF Download
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Book Description
L'objectif de ce travail consiste à améliorer les propriétés mécaniques d'un acier faiblement allié à bas carbone (0,2%) sans recours à des procédés de métallurgie secondaire onéreux. Pour cela, un processus d'inoculation, déjà utilisé lors de l'élaboration des fontes, est transposé à notre nuance d'acier. Il consiste à ajouter des éléments en très faible quantité dans l'acier liquide pour en modifier le processus de solidification donc la microstructure et par conséquent les propriétés de l'acier, dont la résilience. L'ajout d'éléments en très faible quantité ne modifie pas la nuance d'acier. Ils doivent être ajoutés en fin de fusion du métal sous forme de poudre dans le jet de coulée. Les effets de ces éléments se verront sur la microstructure notamment au niveau des inclusions et de la taille des grains. Le « bon candidat » est un élément qui conduira à une répartition homogène d'inclusions de petites tailles et de forme sphérique. Il doit aussi permettre de réduire la taille des grains. Ces modifications de structure sont supposées améliorer les propriétés mécaniques de l'acier et notamment la résistance aux chocs. Une pièce de référence est réalisée pour pouvoir en étudier la microstructure. La forme retenue est un lingot parallélépipédique dimensionné à l'aide d'un logiciel de simulation de coulée afin de prévenir des principaux défauts de fonderie. La taille est adaptée à l'échelle laboratoire (capacité four 120 kg). Les charges de fusion correspondant à la nuance étudiée sont fournies par l'entreprise partenaire de la thèse, SAFE Metal. La première étape est d'obtenir un bain convenablement désoxydé ; c'est-à-dire ajouter de l'aluminium afin de piéger l'oxygène dissous pour l'évacuer. Pour mettre en évidence d'éventuels effets significatifs des différents inoculants testés, il faut partir d'un échantillon de référence contenant un nombre d'inclusions relativement élevé. Ceci est obtenu en ajoutant du soufre dans le bain liquide. Cet élément agit directement sur le nombre d'inclusions présentes dans l'acier en formant des sulfures. Pour passer à l'étape d'inoculation il a fallu créer un outillage spécifique pouvant s'adapter à l'échelle du laboratoire. Des essais sont ensuite réalisés avec différents produits à des concentrations variables. Les échantillons obtenus sont analysés par différentes techniques : analyse chimique de l'acier (spectrométrie étincelle et ICP), analyse de microstructure et de la taille de grains (par micrographie optique) et le comptage inclusionnaire. En ce qui concerne ce dernier point qui consiste à détecter les inclusions, à les compter et à les classer par leur nature, leur forme et leur taille, deux possibilités existent. Soit à l'aide d'un microscope optique mais les risques d'erreur sont importants et le processus est long et fastidieux, soit à l'aide d'un logiciel spécifique (AZtec) couplé à un microscope électronique à balayage (MEB). C'est ce choix qui a été fait, car outre le fait qu'il permette un gain de temps considérable grâce à une automatisation du processus, il est possible de connaître via une sonde EDS, la composition chimique de chaque particule. Pour tous les produits testés, il a été montré que l'inoculation n'avait que peu d'effet sur la taille des inclusions et qu'elles deviennent plus complexes en contenant plusieurs éléments chimiques. Pour certains produits, on voit apparaître des amas d'inclusions. Ces amas sont susceptibles de favoriser la fragilité de l'acier en formant des amorces de fissuration. Pour d'autres, les inclusions diminuent nettement, ont une forme globulaire et la taille des grains est affinée. Ces effets ont tendance à améliorer les propriétés mécaniques de ces aciers. La teneur d'introduction de l'inoculant est aussi déterminée pour un maximum d'efficacité. L'inoculant le plus important pourra être utilisé pour une possible industrialisation.
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L'objectif de ce travail consiste à améliorer les propriétés mécaniques d'un acier faiblement allié à bas carbone (0,2%) sans recours à des procédés de métallurgie secondaire onéreux. Pour cela, un processus d'inoculation, déjà utilisé lors de l'élaboration des fontes, est transposé à notre nuance d'acier. Il consiste à ajouter des éléments en très faible quantité dans l'acier liquide pour en modifier le processus de solidification donc la microstructure et par conséquent les propriétés de l'acier, dont la résilience. L'ajout d'éléments en très faible quantité ne modifie pas la nuance d'acier. Ils doivent être ajoutés en fin de fusion du métal sous forme de poudre dans le jet de coulée. Les effets de ces éléments se verront sur la microstructure notamment au niveau des inclusions et de la taille des grains. Le « bon candidat » est un élément qui conduira à une répartition homogène d'inclusions de petites tailles et de forme sphérique. Il doit aussi permettre de réduire la taille des grains. Ces modifications de structure sont supposées améliorer les propriétés mécaniques de l'acier et notamment la résistance aux chocs. Une pièce de référence est réalisée pour pouvoir en étudier la microstructure. La forme retenue est un lingot parallélépipédique dimensionné à l'aide d'un logiciel de simulation de coulée afin de prévenir des principaux défauts de fonderie. La taille est adaptée à l'échelle laboratoire (capacité four 120 kg). Les charges de fusion correspondant à la nuance étudiée sont fournies par l'entreprise partenaire de la thèse, SAFE Metal. La première étape est d'obtenir un bain convenablement désoxydé ; c'est-à-dire ajouter de l'aluminium afin de piéger l'oxygène dissous pour l'évacuer. Pour mettre en évidence d'éventuels effets significatifs des différents inoculants testés, il faut partir d'un échantillon de référence contenant un nombre d'inclusions relativement élevé. Ceci est obtenu en ajoutant du soufre dans le bain liquide. Cet élément agit directement sur le nombre d'inclusions présentes dans l'acier en formant des sulfures. Pour passer à l'étape d'inoculation il a fallu créer un outillage spécifique pouvant s'adapter à l'échelle du laboratoire. Des essais sont ensuite réalisés avec différents produits à des concentrations variables. Les échantillons obtenus sont analysés par différentes techniques : analyse chimique de l'acier (spectrométrie étincelle et ICP), analyse de microstructure et de la taille de grains (par micrographie optique) et le comptage inclusionnaire. En ce qui concerne ce dernier point qui consiste à détecter les inclusions, à les compter et à les classer par leur nature, leur forme et leur taille, deux possibilités existent. Soit à l'aide d'un microscope optique mais les risques d'erreur sont importants et le processus est long et fastidieux, soit à l'aide d'un logiciel spécifique (AZtec) couplé à un microscope électronique à balayage (MEB). C'est ce choix qui a été fait, car outre le fait qu'il permette un gain de temps considérable grâce à une automatisation du processus, il est possible de connaître via une sonde EDS, la composition chimique de chaque particule. Pour tous les produits testés, il a été montré que l'inoculation n'avait que peu d'effet sur la taille des inclusions et qu'elles deviennent plus complexes en contenant plusieurs éléments chimiques. Pour certains produits, on voit apparaître des amas d'inclusions. Ces amas sont susceptibles de favoriser la fragilité de l'acier en formant des amorces de fissuration. Pour d'autres, les inclusions diminuent nettement, ont une forme globulaire et la taille des grains est affinée. Ces effets ont tendance à améliorer les propriétés mécaniques de ces aciers. La teneur d'introduction de l'inoculant est aussi déterminée pour un maximum d'efficacité. L'inoculant le plus important pourra être utilisé pour une possible industrialisation.
Author: Xiaoling Deng Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 131
Book Description
L'optimisation de forme d'une pièce de fonderie nécessite la prise en compte de trois types de critères. Les critères géométriques assurent la cohérence topologique de la pièce ainsi que le respect des dimensions de la partie fonctionnelle. Les critères mécaniques garantissent la tenue en service de l'objet. Enfin les critères thermiques permettent l'obtention d'une pièce sans défaut lors du processus de fabrication. Les critères géométriques, souvent exprimes sous forme analytique, doivent être strictement respectes. Les critères mécaniques sont évalués à l'aide de calculs par la méthode des éléments finis. Enfin les critères thermiques sont obtenus en utilisant les résultats d'un calcul de solidification par la méthode des différences finies. Le travail de thèse a consiste dans un premier temps à trouver une méthode mathématique d'optimisation sous-contraintes adaptée aux problèmes traités. Ensuite cet algorithme a été interface avec les différents codes de calcul et de maillage afin d'obtenir une procédure automatique d'optimisation. Le processus itératif de minimisation peut induire des coûts de calculs élevés. Afin de réduire le temps de calcul, une technique d'approximation des fonctions couteuses a été développée. Le processus d'optimisation réalisé a été appliqué sur deux pièces de fonderie différentes. Cette étude montre l'intérêt et la faisabilité d'application d'une procédure d'optimisation des pièces de fonderie en tenant compte des critères de fabrication
Author: Nicolas Viens Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Les méthodologies de conception des grappes de fonderie reposent fondamentalement sur l'analyse de l'énergie dégagée par le métal au cours de sa solidification. En effet, l'interprétation de ces transferts thermiques permet de calculer localement le temps de solidification et donc d'identifier les points chauds d'une pièce de fonderie. Dans le cas du moulage en sable, ces échanges thermiques sont bien connus et depuis longtemps modélisés (Chvorinov). Leur modélisation correspond à un moule thermiquement infini, c'est à dire que toute l'énergie dégagée par le métal lors de sa solidification est absorbée par le moule. En revanche, dans le cas d'une carapace ou d'une coquille, une partie de cette énergie est transmise à l'environnement via le moule ; ainsi la modélisation la plus adaptée sera donc celle considérant le moule comme un milieu thermiquement fini. Des manipulations de référence ont permis d'acquérir une bonne compréhension des mécanismes thermiques intervenant dans ce procédé de fonderie et mettent en évidence toute la complexité des échanges, à la fois internes et externes au moule (qui se produisent en simultané pendant la phase de solidification du métal). Ces manipulations ont permis par ailleurs, à l'aide de modèles statistiques, d'estimer les paramètres physiques qui sont difficilement accessibles du fait de leurs dépendances et des conditions de travail expérimentales (les échanges avec le milieu ambiant, le coefficient d'échange et le flux entre le métal et le moule). Ces valeurs issues d'expérimentations réalisées en condition réelles serviront à alimenter les bases de données matériaux utilisées en fonderie et dans les simulations numériques. La démarche et les modèles développés dans le cadre de ce travail de thèse permettent un calcul plus fiable qui servira au dimensionnement des masselottes dans le cas du procédé à cire perdue. A plus long terme, cette démarche pourrait être étendue à d'autres procédés de fonderie puisque la méthodologie développée sur du moulage à cire perdue sera transposable aux cas des moules à noyau, des moules métalliques ou autres procédés similaires.
Author: Cécile Nicoli
Author: Cécile Nicoli
Author: Xiaoling Deng
Author: Nicolas Viens