Contribution à l'étude expérimentale des microségrégations dans les aciers présentant une réaction péritectique, Contribution to the Experimental Study of the Microsegregation in Peritectic Steels

Abdelaziz Addad

Description

Sous la direction de Gérard Lesoult, Hervé Combeau
Thèse soutenue le 28 juin 2007: INPL
Cette thèse est le volet expérimental d’un projet de recherche qui vise à développer un code de calcul qui prédit finement la micro ségrégation des aciers présentant une réaction péritectique. La caractérisation expérimentale de la micro ségrégation a été menée grâce à des essais de solidification dirigée et des essais de trempe en cours de solidification dirigée ainsi que sur des échantillons de lingots industriels. Les alliages sélectionnés font partie des systèmes Fe-C-Ni et Fe-C-Cr. Nous avons d’abord étudié sur des aciers solidifiés l’effet de la composition chimique et l’effet du premier solide ferrite / austénite sur la micro ségrégation. Par la suite nous avons caractérisé la formation de la micro ségrégation avec et sans réaction péritectique. On a montré aussi les effets de la taille de la structure, de la microstructure (dendritique / cellulaire)et de la texture du grain sur la micro ségrégation (colonnaire / équiaxe) sur la micro ségrégation. Enfin, nous avons comparé les résultats expérimentaux avec les résultats de la modélisation.
-Microségrégation
-Réaction péritectique
-Solidification dirigée
-Courbes de fractions cumulées
-Aciers
This PhD work is an experimental part of a global R&D project witech aim to study the microsegregation in peritectic steels. The experimental investigations were made by a Directional Solidification device (DS), Quenched Directional Solidification (QDS) and from parts of industrials ingots. The alloys selected were taken from the Fe-C-Ni and Fe-C-Cr systems. On the solidified steels we investigate the effect of the chemical composition and the first solid (ferrite/austenite) on the microsegregation. The next step was the characterization of the microsegregation during the solidification with and without a peritectic reaction. Afterwards we study the effects of the length of the structure, the microstructure (dendritic/cellular) and the texture of the grains (columnar/equiaxed) on the microsegregation. At the end we have do a comparison bethween the experimental results and those from the numerical simulations
-Microsegregation
-Peritectic reaction
-Directional solidification
-Cumulated fractions curves
-Steels
Source: http://www.theses.fr/2007INPL038N/document

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THESE DE DOCTORAT

DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Spécialité : Science et Ingénierie des Matériaux
Ecole Doctorale : EMMA


Réalisée au
LABORATOIRE DE SCIENCE ET GENIE DES MATERIAUX ET DE
METALLURGIE à L’ECOLE DES MINES DE NANCY.


Présentée par :
Abdelaziz ADDAD



CONTRIBUTION A L’ETUDE EXPERIMENTALE DES
MICROSEGREGATIONS DANS LES ACIERS
PRESENTANT UNE REACTION PERITECTIQUE



Soutenue publiquement à Nancy le 28 juin 2007

Devant le jury composé de




M. Pierre ARCHAMBAULT Président
M. Yves BIENVENU Rapporteur
M. Manuel BOBADILLA
M. Pierre Emmanuel RICHY Examinateur
M. Hervé COMBEAU Co-directeur de thèse
M. Gérard LESOULT Directeur de thèse




I - INTRODUCTION............................................................................................................................................ 3
II - ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE..................................................................................................................... 9
II - 1. LA SEGREGATION CHIMIQUE...................................................................................................................... 9
La ségrégation, un phénomène multiéchelles.............................................................................................. 10
Définition de la macroségrégation .............................................................................................................. 10 la microségré................. 11
II - 2. TRAVAUX ANTERIEURS SUR LA MICROSEGREGATION .............................................................................. 11
II - 3. EFFET DE LA MICROSEGREGATION SUR LES PRODUITS METALLURGIQUES................................................ 12
II - 4. CARACTERISATION DE LA MICROSEGREGATION....................................................................................... 12
Metallographie ............................................................................................................................................ 12
Profils de concentrations............................................................................................................................. 14
Le taux de microségrégation ....................................................................................................................... 15
Courbes de fractions cumulées.................................................................................................................... 15
Lignes d`isocontours ................................................................................................................................... 19
Cartographie ............................................................................................................................................... 20
Courbes de corrélations .............................................................................................................................. 21
II - 5. PRINCIPALES VARIABLES QUI INFLUENT SUR LA MICROSEGREGATION .................................................... 21
La texture des grains : zone equiaxe/zone colonnaire................................................................................. 21
La composition chimique..................... 21
L’interaction entre les éléments chimiques ................................................................................................. 21
La vitesse de refoidissement ................................................................................................... 23
La nature de la phase .................................................................................................................................. 23
La nature du premier solide déposé ............................................................................................................ 24
Les séquences de solidification.................................................................................................................... 24
La surfusion à la pointe............................................................................................................................... 27
La réaction péritectique....................................................................................................... 29
II - 6. CARATERISATION EXPERIMENTALE DE LA REACTION PERITECTIQUE ....................................................... 30
Caractérisation de la microstructure .......................................................................................................... 30
Diagrammes de sélection des microstructures ............................................................................................ 32
Evolution de la microségrégation au cours de la réaction peritectique...................................................... 32
II - 7. APPROCHE THEORIQUE DE LA MICROSEGREGATION................................................................................. 33
II - 8. EFFET DE LA DIFFUSION DANS SOLIDE SUR LA MICROSEGREGATION ........................................................ 34
II - 9. FRONT DE SOLIDIFICATION ...................................................................................................................... 34
II - 10. DESCRIPTION DU MODELE DE MICROSEGREGATION ............................................................................... 35
Description du modèle................................................................................................................................. 35
Modèles de microségrégation 1D avec prise en compte de microstructures dendritiques complexes ........ 37
II - 11. SYNTHESE.............................................................................................................................................. 39
III - TECHNIQUES EXPERIMENTALES...................................................................................................... 43
III - 1. DEMARCHE EXPERIMENTALE.................................................................................................................. 43
III - 2. DESIGNATION ET COMPOSITION DES ALLIAGES....................................................................................... 44
III - 3. DISPOSITIF DE SOLIDIFICATION DIRIGEE (SD)......................................................................................... 44
Principe ....................................................................................................................................................... 44
Caracteristiques techniques ........................................................................................................................ 45
III - 4. DISPOSITIF DE TREMPE EN SOLIDIFICATION DIRIGEE (TSD).................................................................... 46
Principe 46
Caractéristiques techniques.................... 46
III - 5. PARAMETRES DES ESSAIS DE SD ET DE TSD........................................................................................... 48
III - 6. METHODES D’ETUDES : .......................................................................................................................... 49
Métallographie ............................................................................................................................................ 49
Analyse d'images ......................................................................................................................................... 51
Incertitudes sur les mesures ........................................................................................................................ 54
Profil de concentration................................................................................................................................ 58
Cartographie chimique................................................................................................................................ 59
IV - MICROSTRUCTURES ET MICROSEGREGATION DANS LE METAL SOLIDIFIE.................... 63
IV - 1. ECHANTILLONS DES ESSAIS DE SD ET DU LINGOT .................................................................................. 63
IV - 2. NATURE DES MICROSTRUCTU