L’influence du vanadium V sur les propriétés métallurgique et mécaniques de la fonte grise à graphite lamellaire Ft25.

L’influence du vanadium V sur les propriétés métallurgique et mécaniques de la fonte grise à graphite lamellaire Ft25.

M.O.AZZOUG

, R.DRIF

, K.BOULGHEB

et N.ZAOURAR

1

Laboratoire Technologie des Matériaux, Faculté Génie Mécanique et Génie des Procédés Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediènne, Algérie.

kassiazzoug@gmail.com RESUME Le but de ce travail est de déterminer

l’influence du vanadium V sur les propriétés mécaniques et sur la microstructure de la fonte grise à graphite lamellaire Ft25. Cette étude peut être exploitée pour fabriquer des pièces mécaniques plus résistantes en modifiant la teneur massique de la fonte en chaque élément, en fonction des conditions d’emploi de ces pièces.

Mots clés : Fonte grise, graphite lamellaire, métallographie, les essais mécaniques, essai de traction.

I. INTRODUCTION

La diversité des applications des alliages de fer est due en premier lieu, au rôle joué par les éléments d’addition entrant aussi bien en solution solide interstitielle que substitutionnelle. C’est l’une des premières difficultés que rencontre le chercheur métallurgiste pour définir l’importance que joue chacun des éléments d’addition qui peuvent avoir une influence synergique ou opposée, suivant leur teneur mais surtout en fonction des utilisations postérieures à l’élaboration.

En effet, dans les fontes grises lamellaires, les flocons de graphite réduisent la résistance du métal et deviennent en quelque sorte des agents de fissuration qui provoquent des défaillances mécaniques. Ils confèrent aussi à la fonte un comportement fragile très éloigné du comportement élastique et ductile de l'acier. Dans ce métal, les cassures tendent à se produire le long des flocons, qui donnent à la surface de la cassure une teinte

grise. Aussi dans cette étude notre objectif sera axé sur l’amélioration des propriétés mécaniques et chimique de la fonte grise lamellaire Ft25 (fonte industrielle).

Notre objectif consiste à étudier l’influence des éléments d’alliages ajoutés à différentes proportions sur le comportement structural et mécanique des fontes grises à graphite lamellaire Ft25. Il s’agit de l’ajout du vanadium.

II. CARACTERISATION DE LA FONTE DE BASE

A. Composition Chimique

Le tableau.1 regroupe la composition chimique globale de la fonte de base

analysée par

spectrométrie d’émission atomique :

Tableau 1 Analyse chimique de la fonte de base en % massique

De l’analyse des résultats obtenus, il en ressort les observations suivantes :

1) La présence majoritaire du fer avec des additions de Si et Mn montrent qu’il s’agit bien de la fonte Ft25. Globalement les résultats des analyses obtenus concernant les résultats visés concordent avec celles obtenues.

Eléme nts (%

poids) Fe

% C

% Si

% Mn

% P

% S

% V % Cu

%

% Massi que

93.

15 3.0 1

1.8 3

0.5 08

0,3 1

>0.

12 0.03 26

0.9 85

2) Dans la composition nominale de la fonte Ft25, les éléments Cr et Cu n’apparaissent pas. Mais dans les fontes élaborées, ces derniers sont présents en faible proportion.

B. Caractérisation Morphologique

La morphologie de la fonte brute de base observée par microscopie électronique à balayage (Figure 1) reste conventionnelle en comparaison avec celle des études de référence qui traitent de ce type de fonte [1-7].

Fig 1 Micrographies optique de la fonte de base En effet, l’apparition de trois structures prépondérantes qui caractérisent les FGL est mise en évidence par nos observations Il s’agit de:

 Graphite qui apparaît sous forme de lamelles;

 Perlite caractérisée par un contraste foncé de structure eutectoïde lamellaire qui constitue la matrice des FGL considérées;

 L’eutectique phosphoreux (contraste clair) qui baigne dans la matrice perlitique de la fonte.

C. Comportement Mécanique De La Fonte De Base

Pour évaluer l’effet des ajouts sur les propriétés mécaniques, nous avons opté pour l’essai de traction. Pour cela nous avons opté de réalisé l’essai sur la fonte de base (figure 2) en premier lieu et le comparer avec celles obtenu pour les fontes traitées.

Le tableau 2 nous donne les caractéristiques mécaniques de la fonte Ft25.

Tableau 2 les valeurs de la résistance à la traction de la fonte de base.

ECH Re0.2

(0,2%) (MPa)

Charge maximal

(kN)

Contrainte maximale de traction

(MPa)

Déformation de traction à la Rupture (mm /mm) Brute 283,50 100,75 290,88 0,04

Ces résultats confirment bien ce qui est dit dans la partie théorique [2], à propos de la fonte

Ft25 : Rm > 250MPa ; avec une rupture fragile.

Fig 2 Courbe de traction de l’éprouvette de fonte Ft25.

Ces résultats confirment bien ce qui est dit dans la partie théorique, à propos de la fonte Ft25 : Rm > 250MPa [1] ; avec une rupture fragile.

III. CARACTERISATION DE LA FONTE TRAITE AU VANADIUM A. Caractérisation Morphologique

L’objectif de notre travail consiste à étudier l’effet d’ajout, au moment de la coulée du métal dans le moule, le vanadium sous forme de poudre et à une granulométrie de 0.5 mm et différentes proportions, sur les propriétés structurales et mécaniques des fontes grises à graphite lamellaire Ft25. La source de cet ajout étant soit des férro- alliages.

Nous avons procédé à une étude comparative de la taille des grains des fontes obtenues en fonction de la composition des ajouts de vanadium.

X200

Graphite lamellaire

Perlite Eutectique

On a étudié la variation de la taille des grains en fonction du pourcentage de l’ajout. Le dépôt de l’eutectique phosphoreux aux joints de grains nous a permis d’estimer graphiquement la taille des grains.

La figure 3 illustre une série de micrographies optiques de la fonte au V en fonction de la composition de l’ajout.

Dans un premier temps, cette observation révèle une présence de l’eutectique phosphoreux aux joints de grains, qui s’impose de manière plus accentuée au fur et à mesure de l’accroissement de la teneur en V. La figure 3 illustre cette évolution démarrant de l’échantillon à 1 %V à l’échantillon à 5%V, moyennant une même échelle d’agrandissement au microscope optique (X50).

Avec la variation de la teneur de l’ajout V dans les fontes élaborées on peut conclure :

 La finesse de la fonte augmente avec la proportion de l’ajout. Ce phénomène est à lier à l’effet causé par le nombre de centre de germination qui coexistent dans le liquide et participent à la solidification. Plus ce nombre est important (teneur élevée), plus le nombre de grain de la fonte solidifiée est élevé, et par conséquent leur taille diminue.

 La présence de l’eutectique phosphoreux aux joints de grains, qui s’impose de manière plus accentuée au fur et à mesure de l’accroissement de la teneur en V. La répartition de l’eutectique phosphoreux varie considérablement suivant la vitesse de refroidissement [2]. Lorsque celle-ci est grande l’eutectique phosphoreux est réparti en un réseau continu délimitant complètement les cellules eutectiques [2].

B. Comportement Mécanique des Fontes Traitées au Vanadium

Un consensus existe sur le fait que l’ajout du vanadium a un effet néfaste sur les propriétés de résistance mécanique, en abaissant la limite élastique et la charge à la rupture par effet d’affinement de grains

.

Les résultats des essais des tractions sont représentés par des courbes (figures 4),dont l’allure X50

X50 X50

a

b

c

Fig 3 Micrographies optiques de la fonte au V pour une granulométrie de 0.5mm: (a) 1%V, (b) 3%V, (c) 5%V.

générale laisse apparaitre la baisse de Re et Rm avec l’élévation de taux du vanadium.

La figure 4 montre bien que les courbes des éprouvettes traitées et l’éprouvette de la fonte de base Ft25 comportent trois parties:

Une phase initiale linéaire qui reflète le comportement élastique du matériau. Puis une partie non linéaire de pente plus faible qui traduit la phase plastique homogène. Enfin une décroissance de l’effort au-delà du maximum, qui résulte l’instabilité plastique où la striction apparaît et la rupture de l’éprouvette se produit.

Fig 4 Courbes de traction des éprouvettes de fonte traitées au vanadium.

En revanche, le comportement des éprouvettes traitées n’est pas le même, selon le taux d’addition du vanadium états métallurgiques et thermomécanique:

Une chute légère dans l'élasticité des éprouvettes, avec une diminution de la résistance maximal Rm (Tableau3 et Figure 5), où les éprouvettes ont présenté des tailles des grains différentes et taux de l’eutectique phosphoreux.

Tableau 3 les valeurs de la résistance à la traction de la fonte, avec les différentes variations en teneur en vanadium

.

ECH Re0.2

(0,2%) (MPa)

Charge maximal

(kN)

Contrainte maximale de traction

(MPa)

Déformation de traction à la Rupture (mm /mm)

Brute 283,50 100,75 290,88 0,040

1%

V 167,97 62,03 179,09 0,029

3%

V 158,41 58,64 169,32 0,030

5%

V 138,21 52,296 150,99 0,022

La résistance à la rupture diminue avec l’ajout de vanadium qui est un élément carburigène, donc il diminue le taux de graphite, par conséquent améliore la résistance de la fonte.

On remarque une chute de la résistance à la traction pour la variation de 5%V (figure 5), ceci est dû à une fragilisation probable l’influence du phosphore sur les principales caractéristiques mécaniques peut être schématisée de la façon suivante [2,6] : une augmentation de la teneur en phosphore de 1 % accroît la dureté Brinell de 30 à 40 points, diminue le module élastique de 10 000 MPa. Par ailleurs, il exerce une influence défavorable sur la résistance au choc des fontes. Sur la résistance à la traction, l’effet est variable.

Fig 5 les valeurs de la résistance à la traction de la fonte, avec les différentes variations en teneur en vanadium.

L’augmentation des teneurs en vanadium a augmentées légèrement la ténacité des éprouvettes représentées par l’aire de courbe de traction (figure 5), alors que la plasticité des éprouvettes traitées n’est pas remarquable se qui est expliqué par la grande fragilité des fontes grises.

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

0 1 2 3 4 5 6

contrainte de traction (MPa)

Teneur en vanadium %

Re (Mpa) Rm (Mpa)

CONCLUSION

Cette étude concerne des activités de recherche et de développement ouvrant à des applications dans le domaine industriel plus particulièrement dans le domaine de l’élaboration des matériaux (fontes) par moulage.

Nous nous sommes proposé d’étudier l’influence l’élément d’alliage vanadium ajouté à différentes proportions sur le comportement structural et mécanique des fontes grises à graphite lamellaire Ft25.

Les premiers résultats obtenus (ajouts de chrome, manganèse et celui du carbure de tungstène), consolidés par les différentes analyses ont confirmé un certains nombre de résultats, à savoir :

La finesse de la fonte élaborée augmente avec la teneur en vanadium.

Ségrégation de l’eutectique phosphoreux aux les joints de grain perlitique ;

Augmentation de la proportion de l’eutectique phosphoreux avec la teneur des ajouts. Ces derniers, qui jouent le rôle de germes de solidification, semblent contribuer à l’accélération du refroidissement du métal liquide, favorisant ainsi l’augmentation de la proportion de l’eutectique phosphoreux.

 L’ajout de 1% de vanadium baise la résistance maximale à la traction environ de 100MPa et la limite élastique de 120MPa.

 L’augmentation en teneur de vanadium diminue légèrement et linéairement la limite élastique et la résistance maximale à la traction.

 L’ajout de vanadium donne à la fonte un comportement plus fragile.

REFERENCES

[1] H. LAPLANCHE Les fontes et leurs traitements thermiques, Tome 1, (1975).

[2] JEAN-CLAUDE MARGERIE Propriétés des fontes grises ordinaires Techniques de l’ingénieur M380 (2008).

[3] H.LE BRETON, Manuel pratique des fondeurs de fonte (1966)

[4] G.MADER et J.BARRALIS Précis de métallurgie (1999).

[5] ANDRE ROOS, BERNARD MILLET Précis de Métallurgie Appliquée, 3eme édition.

[6] J. C MARGERIE, Elaboration des fontes malléables, Technique de l’ingénieur, M 770 (2008).

[7] M.DURAND-CHARRE, La microstructure des aciers et des fontes. Genèse et interprétation, Ed.

SIRPE, (2003).