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T T TH HE ES SE E En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

T T TH HE ES SE E En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Université de Paul Sabatier de Toulouse Discipline ou spécialité : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux JURY Président : Pr. J. Petit, Directeur de Recherche C.N.R.S., LMPM-ENSMA, Poitiers Rapporteurs : Pr. R. Fortunier, Professeur, École des Mines, Saint-Etienne Pr. M. Vilasi, Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy Examinateur : Pr. P. Lagarrigue, Professeur, Université Paul Sabatier, Toulouse Directeurs : Pr. F. Rézaï-Aria, Professeur, École desMines, Albi Dr. P. Lamesle, Maître Assistant, École des Mines, Albi Dr. G. Dour, Maître Assistant hors classe, École des Mines, Albi Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie Civil et Procédés (M.E.G.e.P.) Unité de recherche : Centre de Recherche Outillages, Matériaux et Procédés (C.R.O.M.e.P.) Directeur(s) de Thèse : F. Rézaï-Aria, P. Lamelse et G. Dour Présentée et soutenue par Mehdi SALEM Le 16 novembre 2009 Titre : Etude de l'endommagement par fatigue thermique des moules de fonderie sous pression d'aluminium : effet de l'interaction avec l'aluminisation et l'oxydation Dédicace «Si tu peux, sois savant ; si tu ne peux pas, sois lettré ; si tu ne peux pas, aime-les ; et si tu ne peux pas, ne les méprise pas.» Omar Ibn Abdulaziz, 8ème Calife, 682-720. ….À ma mère et mon père À mes sœurs et mon frère À ma fille et mon épouse À mon ami Redouane À la mémoire de Mr Omer MERCIER Chevalier dans l’Ordre des Palmes académiques Aux gens qui m’ont soutenu par une parole, un geste, une pensée … Affectueusement Remerciements Remerciements Ce travail de recherche a été réalisé au sein de l’équipe «Etude des Surfaces des Outillages» (E.S.O.) du Centre de Recherche sur les Outillages, Matériaux et Procédés (C.R.O.M.e.P.) de l’Ecole des Mines d’Albi-Carmaux. J’ai eu le plaisir d’y travailler pendant ces longues années de thèse. Mes remerciements vont d’abord à Mrs. J. Petit, R. Fortunier, M. Vilasi, et P. Lagarrigue, pour avoir accepté de participer à mon jury de thèse, et pour l’intérêt qu’ils ont manifesté à l’égard de mes travaux. Je suis honoré par les encouragements qu’ils ont formulés. Que mes directeurs de thèse et encadrants trouvent dans ces quelques lignes l’expression de ma profonde reconnaissance, pour m’avoir fait confiance pour conduire cette étude. Le Pr. Farhad Rézaï- Aria, véritable bibliothèque vivante dans le domaine de la fatigue, a su me guider et me transmettre sa grande passion pour la recherche à travers les longues discussions que nous avons partagées. Le Dr. Pascal Lamesle m’a accompagné avec patience et humour tout au long de ce travail, en me faisant bénéficier de sa compétence dans le domaine de la corrosion ainsi que de son savoir-faire expérimental. J’ai eu également le plaisir de travailler avec le Dr. Gilles Dour, dont la compétence dans le domaine de la thermique et de la fonderie n’est plus à prouver, avec lequel j’ai eu des échanges très constructifs, et cela malgré son départ du centre au cours de ma dernière année de thèse. Qu’ils en soient tous les trois vivement remerciés. Je tiens à rendre hommage au Pr. Omer Mercier, qui nous a malheureusement quitté depuis, pour m’avoir soutenu et aidé sans compter ses heures, en particulier lors de la rédaction de ce manuscrit. Il fut pour moi une lumière dans son passage dans l’ombre, et un exemple de courage et de ténacité lors de ses épreuves face à la maladie. Je voudrais également exprimer mes remerciements et mon amitié à Sabine Le Roux, technicienne spécialisée en analyse d’images, qui a contribué massivement dans le développement, la réalisation, l’exploitation des travaux ainsi que dans la rédaction de ma thèse. Je salue par ailleurs son intelligence, sa méthodologie de travail et sa compétence en fatigue thermique. Quant à l’ami Mr. Serge Tovar, technicien métallographe hors pair, je reprendrais la citation de - Michel Audiard (déjà reprise par Sylvain Jean dans les remerciements de sa thèse) : «Lui [Serge], une épée, un cadord. Moi, je suis objectif, dans cent ans, on parlera encore de lui». Je le remercie pour ses apports techniques et scientifiques, ainsi que pour ses qualités humaines et son sens du commun. Remerciements J’exprime ma sincère gratitude à Mmes Esther Ramirez et Catherine Maffre, pour leur aide précieuse dans les démarches administratives et leur soutien moral dans les moments difficiles. Leur implication totale et sans appel m’a donné un nouveau souffle pour rebondir dans une période critique de ma thèse. Je voudrais également adresser mes remerciements au Dr. Vincent Velay et au Dr. Mohamed Cheikh, pour leurs conseils avisés dans le domaine de la simulation numérique. Le cinquième chapitre de cette thèse n’aurait pas pu voir le jour sans leur collaboration active. Je remercie le Dr. Christine Boher pour sa sympathie au quotidien, et pour les suggestions pertinentes qu’elle m’a apportée pour ma présentation orale. Mes remerciements vont aussi au Dr. Luc Penazzi pour ses conseils pédagogiques en simulation numérique, et pour la qualité de nos débats. Je n’oublierai jamais ces moments conviviaux lors des pauses déjeuner. Je remercie Jean-Michel Mouys, Fabrice Rossi, Didier Adé, Georges Nepsinsky, Jean-Paul Routhe, techniciens à l’école des Mines d’Albi, pour leur contribution dans la mise en place des bancs d’essai. J’ai beaucoup apprécié les messages d’encouragement matinaux formulés par Yannick Le Maoult, Fabrice Schmidt et Jean-Paul Arcens lors de la rédaction de ce manuscrit, et je les en remercie. Durant cette aventure, j’ai été joyeux et parfois déprimé, confiantet quelquefois hésitant, enthousiaste et parfois défaitiste, mais jamais je n’ai été seul. J’étais enchanté de rencontrer Mustafa Demirel, Abdellah Tayibi, Mohamed Bensekou, Massoud Shah, Olivier Barrau, Olivier Joos, Gilles Dusserre, Souleymane Ramdé, Fabien Nazaret, Anwar Hamassaid, Zeechan Ahmer, Thomas Papaïx, Cédric Bellot, Maxime Bordival, Farid Medjedoub,Guy Mazel et Erno (dit «Ness»), Nathalie à l’accueil, Benslima Khallil et Hicham Laribou. Je les remercie tous d’avoir rendu mon séjour aussi agréable. Je terminerai en remerciant mon épouse Aziza El Yahiaoui, qui fut l’ossature de mon moral durant cette «épreuve». Elle a contribué à faire sortir le meilleur de moi, et c’est à elle et à mes parents que je dois ce que je suis aujourd’hui. Sommaire 1 Sommaire Sommaire_____________________________________________________________________________ 1 Préface _______________________________________________________________________________ 7 Chapitre I: Problématique industrielle et scientifique_________________________________________ 9 I.1. Contexte industriel _________________________________________________________________________10 I.1.1. Fonderie Sous Pression d’Aluminium_______________________________________________________10 I.1.1.1. Présentation du procédé______________________________________________________________10 I.1.1.2. Matériaux ________________________________________________________________________11 I.1.1.2.1. Alliages de coulée ______________________________________________________________11 I.1.1.2.2. Outillages de FSPAl ____________________________________________________________11 I.1.2. Sollicitations thermiques et thermomécaniques des moules de FSPAl ______________________________12 I.1.3. Endommagement des moules de FSPAl _____________________________________________________14 I.1.3.1. Paramètres influant sur la durée de vie __________________________________________________14 I.1.3.2. Mécanismes d’endommagement _______________________________________________________14 I.1.3.2.1. La corrosion___________________________________________________________________14 I.1.3.2.2. La Fatigue Thermique ___________________________________________________________15 I.1.3.2.3. L’érosion _____________________________________________________________________15 I.1.3.3. Modes d’endommagement des moules de fonderie _________________________________________15 I.1.3.3.1. Le lavage (« washout »)__________________________________________________________15 I.1.3.3.2. Etamage (ou collage)____________________________________________________________16 I.1.3.3.3. Fissuration____________________________________________________________________16 I.1.4. Illustration des mécanismes d’endommagement (cas de FSPAl)___________________________________18 I.2. Contexte scientifique _______________________________________________________________________19 I.2.1. Étude de l’aluminisation _________________________________________________________________19 I.2.1.1. Technologies et essais d’aluminisation __________________________________________________19 I.2.1.2. Mécanismes d’étamage ______________________________________________________________20 I.2.1.2.1. Modèle de Han ________________________________________________________________20 I.2.1.2.2. Modèle de Joshi________________________________________________________________22 I.2.1.2.3. Modèle de Zhu_________________________________________________________________22 I.2.1.2.4. Modèle de Shankar _____________________________________________________________23 I.2.1.2.5. Modèle de Chen________________________________________________________________23 I.2.2. Étude de l’endommagement par FT ________________________________________________________24 I.2.2.1. Procédure de l’étude de FT ___________________________________________________________24 I.2.2.2. Essais de FT de laboratoire ___________________________________________________________25 I.2.2.2.1. Chauffage ou refroidissement par convection (forcée)___________________________________25 I.2.2.2.1.1. Banc de FT par lits fluidisés___________________________________________________25 I.2.2.2.1.2. Banc d’essai de FT par flamme ________________________________________________26 I.2.2.2.1.3. Banc d’essai de FT par immersion dans un bain d’aluminium _________________________26 I.2.2.2.2. Chauffage et refroidissement par rayonnement ________________________________________26 I.2.2.2.3. Chauffage par induction à hautes fréquences__________________________________________27 I.2.2.3. Paramètres d’endommagement des aciers à outils par FT ____________________________________27 I.2.2.3.1. Paramètres intrinsèques __________________________________________________________27 I.2.2.3.1.1. Effet de la température d’austénitisation _________________________________________27 I.2.2.3.1.2. Effet de la dureté ___________________________________________________________28 I.2.2.3.1.3. L’effet de l’état de surface ____________________________________________________28 I.2.2.3.1.4. Propriétés des matériaux _____________________________________________________29 I.2.2.3.2. Paramètres extrinsèques__________________________________________________________29 Sommaire 2 I.2.2.3.2.1. Effet des paramètres du cycle thermique _________________________________________29 I.2.2.3.2.2. Effet de la géométrie de l’éprouvette____________________________________________30 I.2.2.3.2.3. Effet des contraintes résiduelles________________________________________________31 I.2.2.3.2.4. Effet de l’environnement _____________________________________________________31 I.2.2.4. Étude de la durée de vie en FT ________________________________________________________32 I.2.2.4.1. Étude de la propagation de fissure en FT par application de la MLER ______________________33 I.2.2.4.2. Application de la MLER au cas de la FT _______________________________________________34 I.3. Conclusion _______________________________________________________________________________37 I.4. Références bibliographique __________________________________________________________________39 Chapitre II: Environnement Expérimental _________________________________________________45 II.1. Introduction______________________________________________________________________________46 II.2. Matériaux étudiés _________________________________________________________________________46 II.2.1. Acier à outils modifié X38CrMoV5 (bas % Si)_______________________________________________46 II.2.1.1. Composition chimique______________________________________________________________46 II.2.1.2. Traitement thermique et microstructure_________________________________________________47 II.2.1.2.1. État recuit____________________________________________________________________47 II.2.1.2.2. État trempé 49 II.2.1.3. Propriétés mécaniques et thermo-physiques de l’acier______________________________________53 II.2.2. Alliage d’aluminium ___________________________________________________________________55 II.2.2.1. Composition chimique______________________________________________________________55 II.2.3. Réactions de solidification ______________________________________________________________55 II.2.3.1. Microstructure ____________________________________________________________________56 II.2.3.2. Propriétés physiques et mécaniques____________________________________________________56 II.3. Banc d’essai d’aluminisation solide/liquide _____________________________________________________57 II.3.1. Dispositif expérimental _________________________________________________________________57 II.3.2. Éprouvettes d’essai de corrosion __________________________________________________________57 II.3.3. Procédure expérimentale ________________________________________________________________59 II.3.4. Choix des paramètres d’essai ____________________________________________________________59 II.4. Banc d’essai de fatigue thermique_____________________________________________________________60 II.4.1. Principe de l’essai de FT ________________________________________________________________60 II.4.2. Dispositifs expérimentaux_______________________________________________________________60 II.4.3. Éprouvettes __________________________________________________________________________62 II.4.4. Paramètres d’essai et procédure expérimentale _______________________________________________63 II.4.4.1. Cycles thermiques _________________________________________________________________64 II.5. Techniques de caractérisation ________________________________________________________________65 II.5.1. Moyens de caractérisation _______________________________________________________________65 II.5.1.1. Analyses et préparations métallographiques _____________________________________________65 II.5.1.2. Observation microscopique __________________________________________________________65 II.5.2. Méthodes de quantification par analyse d’images _____________________________________________66 II.5.2.1. Analyse de composition chimique uploads/Geographie/ 2009tou30321.pdf