Optimisation des cycles thermiques appliqués aux Fontes GS ferritiques vis à vis des propriétes de

197 Pages·2011·14.14 MB·French

N° d’ordre 04ISAL0020 Année 2004

Thèse
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur

Formation doctorale : Génie des Matériaux

École doctorale : École doctorale matériaux de Lyon
Par
Jérôme ADRIEN

intitulée
Optimisation des cycles thermiques
appliqués aux fontes G.S. ferritiques
vis à vis des propriétés de fatigue

Soutenue le 31 mars 2004 devant la Commission d’examen

Jury MM.
M. CLAVEL Professeur, Ecole Centrale Paris (Rapporteur)
J. LACAZE Directeur de Recherche CNRS, ENSIACET Toulouse (Rapporteur)
C. VERDU Maître de Conférences, INSA de Lyon (directrice de thèse)
A. REYNAUD Responsable intelligence économique, CTIF Sèvres
J.P. CHOBAUT Docteur, directeur CRITT METALL 2T Nancy
J.Y. BUFFIERE Professeur, INSA de Lyon (Président du jury)

Cette thèse a été préparée au Laboratoire GEMPPM de l'INSA de Lyon

MAI 2003

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Directeur : STORCK A.

Professeurs :
AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE
BABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTS
BABOUX J.C. GEMPPM***
BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIERE
BAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS
BARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIERE
BASTIDE J.P. LAEPSI****
BAYADA G. MECANIQUE DES CONTACTS
BENADDA B. LAEPSI****
BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE
BIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS
BLANCHARD J.M. LAEPSI****
BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE
BOIVIN M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES SOLIDES
BOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain
BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain
BOULAYE G. (Prof. émérite) INFORMATIQUE
BOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDES
BRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtiment
BREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIERE
BRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
BRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDES
BRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION
BUREAU J.C. CEGELY*
CAVAILLE J.Y. GEMPPM***
CHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applications
CHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine
COMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTS
COUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures
DAUMAS F. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et Thermique
DOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUE
DUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURES
DUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIERE
EMPTOZ H. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION
ESNOUF C. GEMPPM***
EYRAUD L. (Prof. émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
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FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS
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FAYET M. MECANIQUE DES SOLIDES
FERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURES
FLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTS
FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONS
FOUGERES R. GEMPPM***
FOUQUET F. GEMPPM***
FRECON L. REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLES
GERARD J.F. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES
GERMAIN P. LAEPSI****
GIMENEZ G. CREATIS**
GOBIN P.F. (Prof. émérite) GEMPPM***
GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
GONTRAND M. PHYSIQUE DE LA MATIERE
GOUTTE R. (Prof. émérite) CREATIS**
GOUJON L. GEMPPM***
GOURDON R. LAEPSI****.
GRANGE G. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
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GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE
GUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIERE
GUINET A. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS

GUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE
GUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
HEIBIG A. MATHEMATIQUE APPLIQUEES DE LYON
JACQUET-RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURES
JAYET Y. GEMPPM***
JOLION J.M. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION
JULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures
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KOULOUMDJIAN J. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION
LAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE
LALANNE M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES STRUCTURES
LALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique
LALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique
LAUGIER A. PHYSIQUE DE LA MATIERE

Mai 2003
LAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE
LAURINI R. INFORMATIQUE EN IMAGE ET SYSTEMES D’INFORMATION
LEJEUNE P. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE
LUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTS
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MAZILLE H. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE
MERLE P. GEMPPM***
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MIGNOTTE A. (Mle) INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE
MIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine
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PAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE
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PINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION
PONCET A. PHYSIQUE DE LA MATIERE
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PROST R. CREATIS**
RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux
REDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE
RETIF J-M. CEGELY*
REYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures
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ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES
ROUBY D. GEMPPM***
ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON – Thermique de l’Habitat
RUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION
SACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux
SAUTEREAU H. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES
SCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE
SOUIFI A. PHYSIQUE DE LA MATIERE
SOUROUILLE J.L. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
THOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE
THUDEROZ C. ESCHIL – Equipe Sciences Humaines de l’Insa de Lyon
UBEDA S. CENTRE D’INNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICES
VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTS
VIGIER G. GEMPPM***
VINCENT A. GEMPPM***
VRAY D. CREATIS**
VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S. :
BAIETTO-CARNEIRO M-C. (Mme) MECANIQUE DES CONTACTS ET DES SOLIDES
BERTHIER Y. MECANIQUE DES CONTACTS
CONDEMINE G. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE
COTTE-PATAT N. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE
ESCUDIE D. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON
FRANCIOSI P. GEMPPM***
MANDRAND M.A. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE
POUSIN G. BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE
ROCHE A. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES
SEGUELA A. GEMPPM***

Directeurs de recherche I.N.R.A. :
FEBVAY G. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS
GRENIER S. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS
RAHBE Y. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS

Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. :
PRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE
MAGNIN I. (Mme) CREATIS**

* CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON
** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D’APPLICATIONS EN TRAITEMENT DE L’IMAGE ET DU SIGNAL
***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX
****LAEPSI LABORATOIRE D’ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS
INSA DE LYON
DEPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALES
MARS 03

Ecoles Doctorales et Diplômes d’Etudes Approfondies

habilités pour la période 1999-2003

ECOLES DOCTORALES RESPONSABLE CORRESPONDANT DEA INSA RESPONSABLE
n° code national PRINCIPAL INSA n° code national DEA INSA

Chimie Inorganique
CHIMIE DE LYON M. D. SINOU M. R. GOURDON 910643
UCBL1 87.53
(Chimie, Procédés, Environnement) 04.72.44.62.63 Sec 84.30 Sciences et Stratégies Analytiques
Sec 04.72.44.62.64 Fax [phone]
EDA206 Fax [phone]
Sciences et Techniques du Déchet M. R. GOURDON
910675 Tél 87.53 Fax 87.17

Villes et Sociétés Mme M. ZIMMERMANN
ECONOMIE, ESPACE ET M.A. BONNAFOUS Mme M. ZIMMERMANN 911218 Tél 60.91 Fax 87.96
MODELISATION DES LYON 2 60.91
COMPORTEMENTS 04.72.72.64.38 Fax 87.96 Dimensions Cognitives et Modélisation M. L. FRECON
Sec 04.72.72.64.03 992678 Tél 82.39 Fax 85.18
(E2MC) Fax [phone]

EDA417

Automatique Industrielle M. M. BETEMPS
ELECTRONIQUE, M. D. BARBIER 910676 Tél 85.59 Fax 85.35
ELECTROTECHNIQUE, INSA DE LYON
AUTOMATIQUE 85.47 Dispositifs de l’Electronique Intégrée M. D. BARBIER
Fax [phone] Tél 85.47 Fax 60.82
(E.E.A.)

Génie Electrique de Lyon M. J.P. CHANTE
EDA160
910065 Tél 87.26 Fax 85.30

Images et Systèmes Mme I. MAGNIN
992254 Tél 85.63 Fax 85.26
Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques M. S. GRENIER
EVOLUTION, ECOSYSTEME, M. J.P FLANDROIS M. S. GRENIER 910509 Tél 79.88 Fax 85.34
MICROBIOLOGIE , MODELISATION UCBL1 79.88
04.78.86.31.50 Fax 85.34
(E2M2) Sec 04.78.86.31.52
Fax [phone]
EDA403

Documents Multimédia, Images et Systèmes M. A. FLORY
INFORMATIQUE ET INFORMATION M. J.M. JOLION d’Information Communicants Tél 84.66 Fax 85.97
POUR LA SOCIETE INSA DE LYON 992774
87.59 Extraction des Connaissances à partir des Données M. J.F. BOULICAUT
(EDIIS) Fax [phone] Tél 89.05 Fax 87.13

EDA 407 Informatique et Systèmes Coopératifs pour l’Entreprise
950131 M. A. GUINET
Tél 85.94 Fax 85.38
Biochimie M. M. LAGARDE
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- M. A.J. COZZONE M. M. LAGARDE 930032 Tél 82.40 Fax 85.24
SANTE UCBL1 82.40
04.72.72.26.72 Fax 85.24
(EDISS) Sec 04.72.72.26.75
Fax [phone]
EDA205

Génie des Matériaux : Microstructure, Comportement M. J.M.PELLETIER
MATERIAUX DE LYON M. J. JOSEPH M. J.M. PELLETIER Mécanique, Durabilité Tél 83.18 Fax 85.28
ECL 83.18 910527
UNIVERSITE LYON 1 04.72.18.62.44 Fax 85.28
Sec 04.72.18.62.51 Matériaux Polymères et Composites M. H. SAUTEREAU
EDA 034 Fax [phone] 910607 Tél 81.78 Fax 85.27
____________________________________________
Matière Condensée, Surfaces et Interfaces M. G. GUILLOT
910577 Tél 81.61 Fax 85.31

Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielles M. G. BAYADA
MATHEMATIQUES ET M. F. WAGNER M. J. POUSIN et Calcul Scientifique Tél 83.12 Fax 85.29
INFORMATIQUE FONDAMENTALE UCBL1 88.36 910281
04.72.43.27.86 Fax 85.29
(Math IF) Fax [phone]

EDA 409
Acoustique M. J.L. GUYADER
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. J. BATAILLE M. G.DALMAZ 910016 Tél 80.80 Fax 87.12
CIVIL, ACOUSTIQUE ECL 83.03
04.72.18.61.56 Fax [phone] Génie Civil M. J.J.ROUX
(MEGA) Sec 04.72.18.61.60 992610 Tél 84.60 Fax 85.22
Fax [phone]
EDA162
Génie Mécanique M. G. DALMAZ

992111 Tél 83.03

Fax [phone]
Thermique et Energétique
910018 M. J. F. SACADURA
Tél 81.53 Fax 88.11

En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l’INSA est établissement principal

Remerciements
Ce travail est l’aboutissement de trois années et demie de travail au sein du Groupe
d’Etudes de Métallurgie Physique et de physique des Matériaux de l’Institut National des
Sciences Appliquées de Lyon.

Cette thèse était financée par le Centre Technique des Industries de la Fonderie. Je
souhaite exprimer ma gratitude au CTIF et en particulier à Alain Reynaud qui a suivi mon
travail.

Pour mener à bien ce projet j’ai pu compter sur l’aide précieuse de Catherine Verdu,
directrice de cette thèse, et de Roger Fougères. Je tiens à les remercier tous les deux pour
m’avoir encadré et pour m’avoir fait profiter de leurs conseils et de leur expérience.

J’exprime ma reconnaissance à Michel Clavel et Jacques Lacaze, rapporteurs, pour avoir
accepté d’examiner ce manuscrit. Je remercie également les autres membres du jury, Jean-
Paul Chobaut et Jean-Yves Buffière.

L’aboutissement de ce travail doit beaucoup à l’ensemble des personnes du laboratoire qui
ont participé de près ou de loin à cette étude. De peur d’en oublier, je ne les nommerai pas
mais je tiens à toutes les remercier chaleureusement pour leur aide et leur convivialité.

Enfin merci à Séverine, Baptiste et à l’ensemble de ma famille pour m’avoir soutenu
durant toutes ces années d’études.

9
Sommaire

Introduction 11
I. Synthèse bibliographique 13
I.1. Elaboration................................................................................................................13
I.1.1. Sphéroïdisation et inoculation...........................................................................13
I.2. Transformations intervenant lors du refroidissement................................................14
I.2.1. Solidification des fontes G.S.............................................................................14
I.2.2. Les éléments d’alliage.......................................................................................15
I.2.3. Réaction eutectoïde............................................................................................17
I.3. Traitements thermiques appliqués aux fontes GS.....................................................18
I.3.1. Généralités.........................................................................................................18
I.3.2. Traitements thermiques de ferritisation.............................................................22
I.3.3. Traitements thermiques de type bainitique........................................................24
I.3.4. Traitements thermiques de type martensitique..................................................29
I.3.5. Traitements thermiques ″intercritiques″............................................................32
I.4. Mécanismes d’endommagement des fontes GS en fatigue dans le domaine
des moyens et grands nombres de cycles..................................................................37
I.4.1. Introduction.....................................................................................................37
I.4.2. Amorçage de la fissuration..............................................................................37
I.4.3. Propagation......................................................................................................40
I.4.4. Effet de différents traitements thermiques sur la durée de vie en fatigue.......44
I.5. Conclusions...............................................................................................................48
II. Matériaux 49
II.1. Composition.............................................................................................................49
II.2. Réalisation de la coulée............................................................................................49
II.3. Traitements thermiques............................................................................................50
II.4. Microstructure..........................................................................................................51
II.5. Propriétés mécaniques..............................................................................................52
III. Etude du comportement en fatigue 53
III.1. Courbes de Wöhler.................................................................................................53
III.1.1. Techniques expérimentales.............................................................................53
III.1.2. Résultats..........................................................................................................54
III.2. Mécanismes de fissuration en fatigue.....................................................................56
III.2.1. Techniques expérimentales.............................................................................56
III.2.2. Mécanismes d’amorçage des microfissures....................................................62
III.2.3. Mécanismes de propagation des fissures........................................................67
III.2.4. Analyse des résultats.......................................................................................78
III.3. Conclusions.............................................................................................................86
10

IV. Optimisation de la matrice ferritique 89
IV.1. Origine des différences de propriétés mécaniques de la ferrite..............................89
IV.1.1. Précipitation dans la ferrite.............................................................................89
IV.1.2. Grains de ferrite.............................................. ...............................................110
IV.1.3. Eléments en solution solide.............................................................................113
IV.2. Analyse des modifications intervenant lors des traitements thermiques de
ferritisation............................................................................................................121
IV.2.1. Origine des variations de la teneur du carbone en solution dans la ferrite.....121
IV.2.2. Analyse de l’effet de la température de palier isotherme................................124
IV.3. Conclusions.............................................................................................................128
V. Etude de fontes GS de type ″Dual-phase″ 131
V.1. Méthodes et techniques expérimentales...................................................................131
V.1.1. Méthodes expérimentales.................................................................................131
V.1.2. Techniques expérimentales...............................................................................132
V.2. Traitement thermique permettant la formation de bainite dans les zones de
fin de solidification..................................................................................................133
V.2.1. Cycles thermiques.............................................................................................133
V.2.2. Microstructure..................................................................................................135
V.2.3. Propriétés mécaniques......................................................................................138
V.3. Traitement thermique permettant la formation de bainite dans les zones de
fin de solidification et autour des sphéroïdes de graphite........................................140
V.3.1. Cycles thermiques.............................................................................................140
V.3.2. Microstructure..................................................................................................141
V.3.3. Propriétés mécaniques......................................................................................144
V.4. Conclusions..............................................................................................................148
Conclusions et perspectives 149
Annexes 153
Annexe A :Tomographie X haute résolution....................................................................153
A.1. Principe................................................................................................................153
A.2. Application de la tomographie X à la caractérisation de la microstructure
des fontes G.S...............................................................................................................155
A.3. Application de la tomographie X à l’étude des mécanismes de fissuration
en fatigue des fontes G.S..............................................................................................157
Annexe B : Comportement microplastique de la fonte GS...............................................161
B.1. Techniques expérimentales..................................................................................161
B.2. Résultats des essais de microplasticité................................................................165
B.3. Analyse du comportement microplastique de la fonte GS..................................172
B.4. Conclusions..........................................................................................................179
Annexe C : Relation d’orientation entre la ferrite et les oxydes Fe O ............................181
3 4
C.1. Relation de Bain...................................................................................................181
C.2. Relation de Nishiyama et Wasserman.................................................................182
C.3. Indexation des clichés de diffraction [CHE77]....................................................183
Références bibliographiques 187