Thèse soutenue

Etude de l’influence des éléments d’addition Si, Mo, Cr et des vitesses de refroidissement sur les microstructures et les propriétés mécaniques de fontes GS à haute teneur en silicium
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Auteur / Autrice : Quentin Levices
Direction : Denis Najjar
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
Date : Soutenance le 14/12/2021
Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique- Multiphysique- Multiéchelle - UMR 9013 / LaMcube
Jury : Président / Présidente : Nathalie Limodin
Examinateurs / Examinatrices : Gildas Guillemot, Jean-Michel Denis, Jean-Charles Tissier
Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Hug, Jacques Lacaze

Résumé

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Les fontes GS étudiées dans cette thèse sont des fontes à matrice ferritique renforcée SSFDI, SiMo, SiCr, SiMoCret SiMoCrNi. Ces fontes spéciales sont caractérisées par une haute teneur en silicium (%Si>4wt%) et des caractéristiquesmécaniques améliorées en comparaison avec les fontes GS analogues à plus basse teneur en silicium. L’influence des élémentsd’addition silicium, molybdène et chrome et de la vitesse de refroidissement sur la microstructure et les propriétés mécaniques(traction, résilience et dureté) de ces fontes GS spéciales à haute teneur en silicium ont ainsi été évaluées. L’ajout de chromeet/ou de molybdène dans la fonte GS entraine la formation de perlite et de carbures diminuant le pourcentage de matriceferritique ; la perlite se formant autour des carbures qui précipitent aux joints de cellules. Le chrome est l’élément chimiquequi produit l’effet le plus significatif sur la formation de perlite et le molybdène celui qui produit l’effet le plus significatifsur la formation de carbures. Les analyses statistiques des résultats expérimentaux montrent que pour toutes ces fontes GSà haute teneur en silicium : 1) les proportions moyennes des constituants principaux (ferrite, perlite et graphite) évoluentavec la composition chimique mais peu avec la vitesse de refroidissement contrairement aux dimensions des cellules et auxcaractéristiques du graphite, 2) quand la vitesse de refroidissement diminue et le temps de solidification augmente, la tailledes cellules eutectiques et le pourcentage de graphite chunky augmentent, la densité de nodules et la nodularité diminuent,3) quand la taille des cellules augmente, la perlite et les carbures sont distribués de manière fortement hétérogène, 4)le pourcentage de graphite chunky se forme pour des vitesses de refroidissement d’autant plus grandes et des temps desolidification d’autant plus courts que la teneur en silicium de la fonte est élevée, 5) toutes les propriétés mécaniquesse dégradent quand la vitesse de refroidissement diminue. L’augmentation des teneurs en silicium et chrome s’accompagned’une augmentation des indicateurs de résistance mécanique couplée également à une baisse de la ductilité et de la résilience.L’augmentation de la teneur en molybdène n’induit qu’une baisse sensible de l’allongement à rupture et de la résiliencemême si ces tendances sont plus difficiles à mettre en évidence statistiquement. Des simulations optimisées en intégrant desmesures expérimentales ont permis de faire le lien entre les paramètres d’élaboration que sont la vitesse de refroidissementet le temps de solidification, la microstructure et les propriétés mécaniques. Que la fonte contienne ou non de la perlite etdes carbures et/ou du graphite chunky ou non, la limite d’élasticité augmente linéairement avec la densité de nodules. Demême, l’allongement à la rupture augmente avec la densité de nodules qui augmente avec la vitesse de refroidissement