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1 - CROISSANCE CRISTALLINE ET SOLIDIFICATION. CONCEPTS DE BASE

2 - SOLIDIFICATION À L’ÉCHELLE DE LA DENDRITE ET DU GRAIN DE COULÉE

Article de référence | Réf : M58 v1

Croissance cristalline et solidification. Concepts de base
Solidification - Cristallisation et microstructures

Auteur(s) : Gérard LESOULT

Date de publication : 10 oct. 1986

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  • Gérard LESOULT : Professeur à l’École Nationale Supérieure des Mines de Nancy - Ingénieur Civil des Mines

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INTRODUCTION

En ce qui concerne l’élaboration des métaux, les opérations de coulée portent sur des quantités considérables : chaque année, dans le monde, près d’un milliard de tonnes de métal sont solidifiées, en premier lieu des alliages ferreux (aciers et fontes), en second lieu des alliages d’aluminium.

  • Les produits et demi‐produits ainsi obtenus par solidification doivent répondre à des exigences de qualité : absence de gros défauts internes tels que retassures et porosités, absence de fortes hétérogénéités chimiques à l’échelle du produit (ségrégations majeures), pour certaines pièces moulées : absence de microporosités mal réparties, pour de nombreux demi‐produits : aspects de surface, etc. Les retassures, exemple typique de défaut à l’échelle du produit hérité de la solidification, sont fortement influencées par la nature du procédé mettant en jeu la solidification et par les conditions opératoires choisies pour un même procédé ; il en est de même pour les criques, pour la texture des grains (colonnaire ou équiaxe), pour la taille des grains, pour les microporosités, pour les ségrégations majeures, etc. La dernière partie de cet article : Macrostructures et qualité des produits Solidification- Macrostructures et qualité des produits est donc consacrée à la présentation des aspects des produits coulés et des phénomènes liés à la solidification pour laquelle la prise en compte des effets d’échelle est indispensable.

  • De fait et avant tout, les produits métalliques bruts de coulée, traités thermiquement ou même transformés, sont fabriqués pour leurs propriétés finales : aptitude à l’homogénéisation chimique, aptitude à la déformation (emboutissage, etc.), propriétés mécaniques, résistance à la corrosion, etc. Ces propriétés dépendent le plus souvent de la structure de solidification à petite échelle, celle de la dendrite (entre 10 µm et 1 mm) ; cela est vrai non seulement pour les produits bruts de coulée mais également pour les produits ayant subi des traitements thermiques ou un corroyage. Pour connaître l’influence de l’étape de solidification sur les propriétés des produits métalliques, il faut établir des corrélations avec les caractères microstructuraux du métal coulé, à savoir principalement : la dimension du grain de coulée, la finesse des ramifications dendritiques, la nature du premier solide formé (ferrite ou austénite pour les aciers), la nature et l’intensité des ségrégations chimiques, la présence de microretassures, microsoufflures ou inclusions. Le développement et la maturation des structures dendritiques d’une part, le développement et l’homogénéisation des microségrégations avec leur cortège de phases mineures d’autre part, sont l’objet essentiel du deuxième paragraphe de cet article. Dans cette partie, le développement et le contrôle des structures eutectiques des alliages de fonderie y tiennent une place à part, du fait de l’importance des moyens d’actions qui leur sont spécifiques (traitement au magnésium pour les fontes à graphite sphéroïdal, modification par le sodium pour les alliages Al‐Si).

  • En dernier ressort, ce sont les propriétés physico‐chimiques des alliages métalliques liquides et des solides, cristallisés ou non, ainsi que celles des interfaces liquide/solide correspondantes qui contrôlent le déroulement de la solidification à l’échelle du micromètre, voire à l’échelle atomique. Le premier paragraphe de ce texte est donc consacré à la présentation des propriétés physico‐chimiques et des processus élémentaires auxquels il sera souvent fait référence dans le deuxième paragraphe, voire même dans la dernière partie Macrostructures et qualité des produits Solidification- Macrostructures et qualité des produits.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m58


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1. Croissance cristalline et solidification. Concepts de base

1.1 État solide et état liquide

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1.1.1 Mobilité de la matière

Comme son nom l’indique, la conséquence la plus évidente de la solidification est la brutale chute de mobilité de la matière. L’écoulement des métaux liquides purs près de leur point de fusion est comparable à celui de l’eau à température ordinaire, caractérisé par un viscosité dynamique de l’ordre de 10–3 Pa · s (tableau 1). À l’état solide, les métaux et alliages possèdent une résistance à la traction élevée. Les métaux purs peuvent supporter des contraintes de l’ordre de 10 4 Pa près du point de fusion : l’effondrement de la résistance à la déformation des alliages industriels une centaine de degrés au‐dessous de la température de solidus n’est dû qu’à l’apparition, dans des zones ségrégées, de films liquides qui sont autant de zones faibles.

L’autodiffusion et la diffusion chimique des éléments d’alliage et des impuretés sont plus lentes dans le solide que dans le liquide. Le tableau 1 permet de comparer les coefficients de diffusion de plusieurs solutés dans le fer liquide, la ferrite et l’austénite. Dans le liquide, les coefficients sont compris entre 10–9 m2/ s pour les éléments les plus lents et 10–7 m2/ s pour l’hydrogène. L’éventail des valeurs est plus large pour la ferrite, il est maximal pour l’austénite.

Nota :

pour plus de détails sur ce sujet on consultera avec profit les articles Diffusion dans les métaux Diffusion dans les métaux ; Données physico‐chimiques des principaux métaux et métalloïdes. Viscosité ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MURR (L.E.) -   Interfacial phenomena in metals and alloys.  -  Addison Wesley Publishing Company (1975).

  • (2) - MULLINS (W.W.), SEKERKA (R.F.) -   Stability of a planar interface during solidification of a dilute binary alloy.  -  J. Appl. Phys., vol. 35, no 2, p. 444-51, fév. 1964.

  • (3) - KURZ (W.), FISCHER (D.J.) -   Dendrite growth at the limit of stability : tip radius and spacing.  -  Acta Metal, vol. 29, p. 11 à 20 (1981).

  • (4) - ELLIOTT (R.) -   Eutectic solidification processing.  -  Butterworths London (1983).

  • (5) - JACKSON (K.A.), HUNT (J.D.) -   Lamellar and rod eutectic growth.  -  Trans. Metall. Soc. AIME, vol. 236, p. 1129-42, août 1966.

  • (6) - KURZ (W.), FISHER (D.J.) -   Dendrite growth in eutectic alloys : The coupled zone.  -  Int. Met. Rev., no 5 et 6, p. 177-204...

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