Cours Matériaux 2005

SOLIDIFICATION

GENERALITES

Jean-Marc HAUDIN

CEMEF

PLAN

1. INTRODUCTION

2. LES MATERIAUX DE DEPART

3. DESCRIPTION DE PROCEDES TYPES

4. PROBLEMES SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES

1. INTRODUCTION

- ELABORATION : création du matériau et formulation

- TRANSFORMATION/MISE EN ŒUVRE/MISE EN FORME(FORMING/PROCESSING)

- MISE EN FORME A PARTIR DE L ’ETAT LIQUIDE,PATEUX, PULVERULENT SOLIDIFICATIONFORME DEFINITIVE OU NOUVELLE TRANSFORMATION

2. LES MATERIAUX DE DEPART

- METAUX

• état liquide : acier du convertisseur + métallurgiesecondaire (dite en poche)

• état pâteux : entre liquidus et solidus

• état pulvérulent : avec ou sans liant organique

- POLYMERES

• thermoplastiques : poudre ou granulés, qui vont êtrefondus (semi-cristallins) ou plastifiés (amorphes)

• thermodurcissables : solutions, « sirops », poudres àmouler

- CERAMIQUES

• briques, tuiles, poteries: argile, flux (cuisson), charge(retrait après cuisson) + eau qui plastifie

• verres : silice, fondants (abaissement du point defusion), verre recyclé (calcin) Fusion

• ciments : chaux, argile (Portland) ou alumine + eaupour la mise en œuvre

• bétons : pâte de ciment durcie, sable et granulats + eau

• céramiques techniques : poudres avec ou sans liantorganique

- MATIERES AGRO-ALIMENTAIRES

• amidon + eau

III- DESCRIPTION DE PROCEDESTYPES

- PROCEDES CONTINUS

- PROCEDES DISCONTINUS

PROCEDES CONTINUS

- PROCEDES DE COULEE

• coulée continue de l ’acier

• procédé « Float glass »

- L ’EXTRUSION

• la cuisson extrusion de l ’amidon

COULEE CONTINUE DEL ’ACIER

VERRE PLAT : LE PROCEDEFLOAT

L ’EXTRUSION

EXTRUDEUSE BIVIS POUR LA CUISSON EXTRUSION DEL ’AMIDON

PROCEDES DISCONTINUS

- MOULAGE - FONDERIE

• à moule perdu

• à moule permanent

- MOULAGE PAR INJECTION

- SOUFFLAGE

MOULAGE A MOULE PERDU

MOULAGE A MOULEPERMANENT

MOULAGE PAR INJECTIONSOUS PRESSION

PROCEDES PIM (Powder Injection Molding) ou

MIM (Metal Injection Molding)

SOUFFLAGE

SOUFFLAGE DE BOUTEILLES DE VERRE (1)

SOUFFLAGE

SOUFFLAGE DEBOUTEILLES DE

VERRE (2)

IV- PROBLEMES SCIENTIFIQUES ETTECHNIQUES

Le rôle du matériau

- la viscosité et sa thermodépendance

- loi de comportement

- propriétés thermiques

- mécanismes de solidification

NOTION DE VISCOSITE

FLUIDITE/COULABILITE VISCOSITE

CISAILLEMENT SIMPLE

Contrainte : (cission)

Vitesse de déformation : (taux de cisaillement)

Viscosité : (en Pa.s)

/) 6τ =

/8 Kγ =�

/η τ γ= �

VISCOSITE

Quelques ordres de grandeur :

• métal fondu :

• polymère fondu : 103 3D�V à faible

• poudre avec liant : 250 3D�V�à 100 s-1

• verres : 103-106 3D�V dans la zone de mise en forme

310 .3D V−

γ�

THERMODEPENDANCE DE LAVISCOSITE

L ’EXEMPLE DES VERRES

LE ROLE DE LA VISCOSITE

- Importance des forces de viscosité par rapport aux forcesd ’inertie et de masse

ρ masse volumique, 9 vitesse, K dimension caractéristique del ’écoulement, / longueur ou hauteur de l ’écoulement, Jaccélération de la pesanteur

- Puissance dissipée AUTO-ECHAUFFEMENT

- Dimensionnement des outillages, puissance des moteurs

2: ηγ=� �

ηρ9K=Re

9

J/K1

ηρ=

QUELQUES COMPORTEMENTS

- Newtonien :

- Newtonien généralisé :

dont pseudoplastique

- Newtonien avec seuil (Bingham) :

- Pseudoplastique avec seuil (Herschel-Bulkley) :

- Viscoélastique (Maxwell) :

6,08/$7,21�180(5,48(�'(6�352&('(6

( )τ η γ= �

( , )7τ η γ γ= � �

( ) P. 7τ γ= �

R .τ τ γ= + �

P

R .τ τ γ= + �

2G

GW

σσ θ ηε+ = �

ROLE DE LA MASSE ETD ’INERTIE

Effet de vague lors du remplissage d ’un moule par un métal liquide

PARAMETRES THERMIQUES• Paramètres clés• conductivité :�N

• diffusivité : D� �N�ρ�F• effusivité :

• Conséquences• temps de chauffage et de refroidissement : 10 s pour 1cm

d’acier et 1000 s pour 1cm de polymère

• température d’interface :

• exemple : 199 °C pour une interface air 20 °C – polymère 200 °CEE

7E7E7 L

21

2211

++=

FNE ρ=

MECANISMES DESOLIDIFICATION

• Vitrification: verres, thermoplastiques amorphes

• Réticulation: thermodurcissables

• Cuisson expansion de l’amidon: évaporation de l’eau

• Cuisson des briques: formation d’une phase vitreuse

• Prise des ciments: réactions chimiques

• Densification des poudres: frittage

• CRISTALLISATION

EXPANSION DE L’AMIDON

FRITTAGE

CRISTALLISATION• Transition thermodynamique du premier ordre

• Germination : homogène ou hétérogène

• Croissance : diffusion ou mécanisme interfacial

• Cinétique globale :

• fraction volumique cristallisée

• OU

• fraction volumique transformée en entités morphologiquesd’une forme donnée (sphères en 3D)

• LOI d’AVRAMI

• &HV�GHX[�QRWLRQV�QH�VRQW�pTXLYDOHQWHV�TXH�SRXU�XQ

PDWpULDX������FULVWDOOLQ����

LOI d’AVRAMI

• Forme générale

� α’(t) fraction volumique fictive, correspondant au cas où les entitéspeuvent apparaître et croître indépendamment les unes des autres

• Forme simplifiée

α(t) = 1 – exp [-ktn]

α(t) = 1 - exp [- α’(t)]

RAPPEL: DIAGRAMMEEUTECTIQUE

MORPHOLOGIES

• 62/87,21�62/,'(

• 0253+2/2*,(6

(87(&7,48(6

INFLUENCE DE LA MISE ENFORME

DEFAUTS DE SOLIDIFICATION

- Hétérogénéités de concentration

• Ségrégation mineure (dendrite)

• Ségrégation majeure (échantillon)

- Retassures: vides

- Criques: fissures

- Contraintes résiduelles

SEGREGATIONS

• Mineure

• Majeure

REMEDES AUX RETASSURES

• Masselotte et refroidisseur(masses métalliques, ailettes)

• Alimentation sous pression

FORMATION D’UNE CRIQUE

FORMATION DES CONTAINTESRESIDUELLES