Modélisation numérique du comportement à l'usure de la fonte à graphite sphéroïdal

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Submitted on 21 Mar 2017

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Modélisation numérique du comportement à l’usure de la fonte à graphite sphéroïdal

Mohamed Ben Tkaya, Hassan Zahouani, Salah Mezlini, Philippe Kapsa, Abdelwaheb Dogui

To cite this version:

Mohamed Ben Tkaya, Hassan Zahouani, Salah Mezlini, Philippe Kapsa, Abdelwaheb Dogui. Modéli- sation numérique du comportement à l’usure de la fonte à graphite sphéroïdal. 8e Colloque national en calcul des structures, CSMA, May 2007, Giens, France. �hal-01493133�

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Ecole Centrale de Lyon, BP 163, 69131 Ecully cedex, France

**Laboratoire de Génie Mécanique,

Avenue Ibn El Jazzar, 5019 Monastir, Tunisie

RÉSUMÉ. A partir de 1948, la date de son invention, la fonte à graphite sphéroïdal devient de plus en plus utilisée. Ceci grâce aux performances mécaniques et tribologiques que peut offrir la fonte par rapport aux autres types d’acier. La fonte ductile est utilisée pour plusieurs applications structurelles particulièrement dans celles qui nécessitent une rigidité combinée avec une bonne usinabilité. Le second large domaine d’utilisation de la fonte ductile est l’industrie automobile grâce à la faible densité par rapport à l’acier 10%, sa bonne résistance à l’usure et son faible coefficient de frottement. Dans ce travail des essais d’usure expérimentaux permettent de mettre en valeur le rôle du graphite dans la diminution de coefficient de frottement apparent au cours de l’usure. Des simulations numériques par le code d’élément finis ABAQUS de l’essai de frottement sphère plan permettent d’étudier l’usure de la fonte à graphite sphéroïdal. La simulation numérique permet de mettre en évidence la concentration des contraintes perlitiques à cause de la présence du graphite.

ABSTRCT. Since 1948, the date of its invention, nodular cast iron becomes more and more used. This, thanks to the mechanical and tribological performances which the cast iron can offer, compared to the other types of steel. Ductile iron is used for several structural applications particularly in that which require rigidity combined with good usinability. The second largest area of application of ductile iron is the automobile industry thanks to its lower density (10% less to steel), good wear resistance and its low coefficient of friction. In this work an experimental wear test allow to emphasize the role of graphite in the reduction in apparent friction coefficient during wear. Numerical simulations of sphere in plan friction test, with finite element code ABAQUS, make it possible to study the wear of nodular cast iron. The numerical simulation makes it possible to highlight the concentration of the perlitic stress caused by the presence of graphite.

MOTS-CLÉS: fonte à graphite sphéroïdal, usure, éléments finis, endommagement KEYWORDS: nodular cast iron, finite element, wear, damage

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/H PRGXOH GH <RXQJ GH OD SKDVH JUDSKLWH HVW PHVXUp SDU GHV HVVDLV GH QDQRLQGHQWDWLRQ /HV UpVXOWDWV REWHQXV YRQW rWUH XWLOLVpV FRPPH SDUDPqWUHV G¶HQWUpHSRXUODVLPXODWLRQQXPpULTXHGHO¶XVXUHGHODIRQWHHWSRXUpWXGLHUOH FRPSRUWHPHQWGXJUDSKLWHDXFRXUVGHO¶HVVDL$XGpEXWOHFRPSRUWHPHQWGHOD IRQWH j O¶XVXUH VHUD pWXGLp H[SpULPHQWDOHPHQW 'DQV OD GHX[LqPH SDUWLH RQ SUpVHQWH XQH PRGpOLVDWLRQ GH O¶XVXUH GpYHORSSpH SDU OH FRGH GH FDOFXO

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Etudes expérimentales

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)LJXUHCycles de rayage

'HV PHVXUHV UpDOLVpHVSDUO¶LQWHUIpURPpWULHHQOXPLqUH EODQFKHSHUPHWWHQW GH FDOFXOHU OH YROXPH G¶XVXUH SRXU XQH WUDFH GH ORQJXHXU PP /H SURILOH REVHUYpSDUO¶LQWHUIpURPqWUHPRQWUHODSUpVHQFHGHVERVVHGDQODWUDFHG¶XVXUH ILJXUHE

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)LJXUHFonte à graphite sphéroïdal après le 15^émecycle a) image MEB de la trace ; b) profil transversal suivant la direction x

)LJXUHEvolution du coefficient de frottement apparent en fonction du nombre de cycles

$ILQGHPLHXFRPSUHQGUHOHFRPSRUWHPHQWGXJUDSKLWHDXFRXUVGHO¶XVXUHGHV PRGpOLVDWLRQVSDUpOpPHQWVILQLVHQ'VRQWUpDOLVpHV

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1.)XNXPDVX HW DO 1.)XNXPDVX RQW VXSSRVp TXH OH JUDSKLWH GDQV OH IRQWH JULV HVW pODVWRSODVWLTXH =KDQJ =KDQJ.6 D pWXGLp OH UXSWXUHGXFWLOHGHODIRQWHjJUDSKLWHVSKpURwGDOHWLODVXSSRVpTXHOHJUDSKLWH FRPPH GHV FDYLWpV GHV YLGHV GH IRUPH VSKpURwGDOH 'DQV VRQ pWXGH /&ROOLQL&2//,1, D VXSSRVp TXH OD JUDSKLWH D XQ FRPSRUWHPHQW pODVWLTXHHWLODPRQWUpTXHVHXOHPHQWODUpSRQVHpODVWLTXHGHODIRQWHSHQGDQW XQHVVDLGHWUDFWLRQHVWLQIOXHQFpHSDUODSUpVHQFHGXQRGXOHGXJUDSKLWH'DQV QRWUH pWXGH OH JUDSKLWH HVW VXSSRVp pODVWLTXH GH PRGXOH GH <RXQJ ( *3D 'HV HVVDLV GH UD\DJH F\FOLTXH FRPPH FHX[ GpFULWV H[SpULPHQWDOHPHQW VRQW UpDOLVpV8QHFKDUJHQRUPDOHFRQVWDQWHGH1HWXQGpSODFHPHQWGHPPVRQW DSSOLTXpVVXUO¶LQGHQWHXUSHQGDQWOHUD\DJH/HPRGXOH$%$4866WDQGDUGHVW XWLOLVpGDQVFHWWHSDUWLH

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5pVXOWDWV

/D ILJXUHPRQWUHODWUDFHGHODUD\XUHDSUqVF\FOHVGHJOLVVHPHQW2Q UHPDUTXH TXH OH JUDSKLWH SUpVHQWH GHV ERVVHV GDQV OD WUDFH HW TX¶LO \ D HQWDVVHPHQWGHODPDWLqUHDXYRLVLQDJHGXJUDSKLWH&HVUpVXOWDWVVRQWFRQILUPpV SDUOHVUpVXOWDWVH[SpULPHQWDX[ILJXUHERRQUHPDUTXHXQHQWDVVHPHQWGH

ODPDWLqUHDXYRLVLQDJHGXJUDSKLWH]RQHVEOHXHV&HFLSHUPHWGHGLUHTXHOH JUDSKLWH D XQ FRPSRUWHPHQW pODVWLTXH HW LO QH VH FRPSRUWH SDV GH OD PrPH PDQLqUHTXHODPDWULFH&HUHWRXUpODVWLTXHTXLFDUDFWpULVHOHJUDSKLWHOXLSHUPHW GHMRXHUOHU{OHG¶XQOXEULILDQWDXFRXUVGHO¶XVXUH

)LJXUHProfile longitudinal du rayage obtenu numériquement après 5 cycles

&RPSRUWHPHQWGHODIRQWHjO¶XVXUHGDQVOHFDVGHIRUWHVVROOLFLWDWLRQV

'DQVODVXLWHGHFHWUDYDLORQYDpWXGLHUOHFRPSRUWHPHQWGXJUDSKLWHGDQV OHFDVGHIRUWHVVROOLFLWDWLRQV/HPrPHPRGqOHXWLOLVpGDQVO¶pWXGHSUpFpGHQWH VHUDXWLOLVp8QGpSODFHPHQWGHPLFURPqWUHGDQVODGLUHFWLRQYHUWLFDOHVHUD DSSOLTXp VXU O¶LQGHQWHXU $%$486 H[SOLFLW HVW XWLOLVp DILQ G¶pYLWHU OD GLYHUJHQFHGXFDOFXOUHQFRQWUpHGDQVOHPRGXOH$%$4866WDQGDUG

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)LJXUH Contrainte principale maximale : a) matériau homogène ; b) matériau avec graphite (élastique) de distance inter graphite 400 μm ;c) matériau avec graphite (élastique) de distance inter graphite 200 μm

/HV ILJXUHV E HWF PRQWUHQW TX¶LO\ D XQHFRQFHQWUDWLRQGHFRQWUDLQWHV SUpV GX JUDSKLWH &HFL PRQWUH TXH FHWWH ]RQH VXELW SOXV GHV GpIRUPDWLRQV SODVWLTXHV8QHIRUWHKpWpURJpQpLWpGHFRQWUDLQWHVHVWELHQQRWpH/HJUDSKLWHVH

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FRPSRUWH FRPPH GHV FDYLWpV TXL SUpVHQWHQW XQH ]RQH GH FRQFHQWUDWLRQ GH FRQWUDLQWHV HW GH SURSDJDWLRQ GH ILVVXUHV 'DQV OD ILJXUH RQ UHPDUTXH OD SUpVHQFH G¶XQH FRQFHQWUDWLRQ GH FRQWUDLQWHV OH ORQJ G¶XQH EDQGH TXL OLH XQ JUDSKLWHjXQDXWUHFHV]RQHVUHSUpVHQWHQWGHVUpJLRQVGHUXSWXUH2QUHPDUTXH DXVVL TXH OD ]RQH URXJH TXL FRUUHVSRQG j OD YDOHXU PD[LPDOH GH FRQWUDLQWHV GHYLHQWSOXVODUJHHQDXJPHQWDQWODGHQVLWpGXJUDSKLWH

)LJXUH Contraintes de Von Mises

&RQFOXVLRQ

/HJUDSKLWHMRXHXQU{OHLPSRUWDQWGDQVO¶XVXUHGHODIRQWH,OVHFRPSRUWH FRPPHXQILOPIOXLGHTXLV¶LQWHUFDOHHQWUHOHVGHX[DQWDJRQLVWHVHWIDLWGLPLQXHU OH IURWWHPHQW HW O¶XVXUH GH OD IRQWH 0DLV HQ PrPH WHPSV LO MRXH OH U{OH GH FDYLWp /D VLPXODWLRQ QXPpULTXH QRXV D SHUPLV GH FRQVWDWHU TXH OH JUDSKLWH UHSUpVHQWH OD UpJLRQ GH ORFDOLVDWLRQ GHV FRQWUDLQWHV HW GH O¶HQGRPPDJHPHQW 8QHpWXGHVXSSOpPHQWDLUHGRLWrWUHUpDOLVpHSRXUFDUDFWpULVHUO¶LQWHUIDFHJUDSKLWH PDWULFH&HWWHpWXGHGRLWWHQLUFRPSWHGHODSUpVHQFHGHODIHUULWH

&HWWH pWXGH PRQWUH TXH OD PRGpOLVDWLRQ QXPpULTXH SHUPHW G¶H[SOLTXHU FHUWDLQVSKpQRPqQHVWULERORJLTXHVHWGRQQHSOXVGHGpWDLOVVXUOHVPpFDQLVPHV LQWHUIDFLDX[TXLVRQWGLIILFLOHVjREVHUYHUH[SpULPHQWDOHPHQW

%(575$1'/$0%277(36XUOHVPpFDQLVPHVGHUD\XUHGHVYHUQLVGHILQLWLRQ DXWRPRELOH(FROHFHQWUDOHGH/\RQ

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-$8/7-Fontes à graphite sphéroïdal: propriétés d'utilisation7HFKQLTXHVGH OLQJpQLHXU0

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