Propriétés Mécaniques et Physiques du Fer et des Fontes

Le Fer et les Fontes

Le terme « fer » se réfère souvent de manière générale, mais il identifie un grand groupe de métaux ferreux. La couleur d'une surface fracturée peut être utilisée pour identifier un alliage.

La fonte blanche est nommée d'après sa surface blanche lorsqu'elle est fracturée, car ses carbures permettent aux fissures de se propager en ligne droite.

La fonte grise est nommée d'après sa surface fracturée grise, ce qui se produit parce que les flocons de graphite dévient les fissures, ouvrant d'innombrables nouvelles fissures lorsque le matériau se rompt.

Propriétés Mécaniques du Fer et des Fontes

Propriétés Mécaniques à Températures Élevées

La résistance à la traction des fers perlitiques ductiles diminue continuellement avec l'augmentation de la température. À 400 ºC, elle est d'environ deux tiers de la résistance à la température ambiante. Pour les fers ferritiques, la baisse est moins prononcée à 400 ºC, et la valeur de résistance est d'environ % de celle à température ambiante.

La limite d'élasticité (sigma 0,2 %) pour les fers ferritiques et perlitiques reste pratiquement stable jusqu'à 350-400 ºC ; au-dessus de cette température, elle diminue rapidement. La dureté à chaud est maintenue jusqu'à 400 ºC, puis diminue au-dessus de cette valeur.

Pour des températures jusqu'à 300 ºC, la contrainte admissible dans les structures statiques, comme à température ambiante, peut être basée sur les valeurs de la limite d'élasticité (sigma 0,2 %) obtenue à température ambiante. À des températures supérieures à 300 ºC, les contraintes admissibles doivent être calculées sur les données de fluage.

Effet du Molybdène

Une petite quantité de molybdène améliore considérablement ces propriétés, notamment la résistance au fluage à chaud, pour les fers ferritiques et perlitiques. Les améliorations obtenues avec l'addition de Mo peuvent étendre les propriétés de traction aux basses températures.

Propriétés d'Impact

En ce qui concerne les propriétés d'impact, il y a une température en dessous de laquelle l'allongement à la traction diminue. La limite d'élasticité (sigma 0,2 %) augmente continuellement lorsque la température baisse, mais la résistance à la traction subit une transition.

Température de Transition

Au-dessus de la plage de température de transition, la résistance à la traction tend à rester constante ou à augmenter, mais une fois passée la température de transition, la résistance à la traction diminue.

Effet du Phosphore et du Silicium

Le phosphore et le silicium augmentent la température de transition et réduisent la résistance dans la fonte ductile.

Définitions de Termes Mécaniques

Résistance à la Traction

La résistance à la traction est la valeur maximale de contrainte de traction qu'un matériau peut supporter. Elle dépend de la vitesse de déformation.

Résistance à la Compression

La résistance à la compression est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sous une charge d'écrasement. La résistance à la compression d'un matériau qui rompt par éclatement peut être définie dans des limites assez serrées, comme une propriété indépendante. Cependant, la résistance à la compression des matériaux qui ne se brisent pas en compression est définie comme la quantité d'effort nécessaire pour déformer le matériau d'une quantité arbitraire. La résistance à la compression est calculée en divisant la charge maximale par la surface de la section transversale d'origine d'un échantillon dans un test de compression.

Allongement et Déformation

L'allongement est un type de déformation. La déformation est simplement le changement de forme qu'un matériau subit. Dans le cas de la traction, l'échantillon est déformé par étirement, il s'allonge.

Rigidité et Effet de Torsion

La rigidité en torsion est la résistance d'un corps à la torsion.

L'effet de torsion est le changement de forme d'un corps lorsqu'il est soumis à des forces qui provoquent une rotation d'une section par rapport à une autre, agissant dans des directions opposées et sur des plans parallèles.

Résistance à la Coupe

La résistance à la coupe est la capacité d'un matériau à s'opposer aux forces exercées par un outil de coupe.

Fatigue des Matériaux

La fatigue des matériaux se réfère à un phénomène par lequel la rupture des matériaux sous sollicitations dynamiques cycliques (forces appliquées à plusieurs reprises) se produit à des charges inférieures aux charges statiques qui produisent la rupture. Un exemple est un fil métallique : le fait de le plier à plusieurs reprises le rompt facilement, alors que la force nécessaire pour le rompre en une seule fois par traction est grande.

Propriétés Physiques

Coefficient de Dilatation Thermique

Les caractéristiques de dilatation des fontes sont complexes en raison des transformations qui ont lieu en solution, de la précipitation de graphite, de la graphitisation et de la formation d'austénite supérieure à 700 ºC.

Résistance à la Corrosion

Dans certaines applications, la résistance à la corrosion de la fonte ductile est similaire à celle de la fonte grise et souvent supérieure à celle de l'acier. Les tuyaux en fonte ductile, habituellement utilisés dans les eaux usées, peuvent être protégés par anodisation, galvanisation, revêtements plastiques et, dans certains cas, par du polyuréthane.

Source et Collaboration

Collaboration par : Peter E. (Architecture et Construction, ARQHYS). Informations sur les propriétés de résistance et de fluage jusqu'à 459 ºC.

Types de Fontes

Fonte Grise

Elle est caractérisée par des cellules eutectiques interconnectées contenant des flocons de graphite. L'inoculation permet de créer des cellules eutectiques plus petites pour améliorer la ténacité.

Propriétés de la Fonte Grise

Ses propriétés incluent une haute résistance à la compression, une bonne résistance à la fatigue thermique et un excellent amortissement des vibrations.

Amélioration de la Résistance

Elle présente une faible résistance à la traction, due aux gros flocons de graphite. Une meilleure résistance peut être obtenue en réduisant l'équivalent carbone par traitement d'alliage ou traitement thermique.

Fonte Blanche

Les fontes blanches sont utilisées pour leur dureté et leur résistance à l'abrasion. La martensite peut se former pendant le traitement thermique.

Fonte Malléable

La fonte malléable est obtenue par traitement thermique (recuit) de la fonte blanche non alliée.

Procédé de Fabrication (Recuit)

Ce type de fonte est obtenu en soumettant la fonte blanche à un traitement de recuit par chauffage à une température comprise entre 850 et 950 ºC. Ce traitement décompose la cémentite, libérant le carbone sous forme de nodules irréguliers. Ce processus, parfois appelé graphitisation de recuit, peut produire 2 types de fonte malléable :

Types de Fonte Malléable

• Le premier type est la fonte malléable à cœur blanc (type européen), obtenue par recuit pendant 1 à 2 jours en présence d'une atmosphère oxydante (oxyde de fer). Cela oxyde le carbone à la surface, réduisant le pourcentage de carbone dans la composition finale.
• Le deuxième type est la fonte malléable à cœur noir (type américain), obtenue par un recuit plus long, parfois jusqu'à 8 jours, résultant en une structure ferritique avec des nodules de graphite.

Fonte Ductile (ou Nodulaire)

Ce type de fonte est également appelé fonte à graphite sphéroïdal.

Caractéristiques (Graphite Sphéroïdal)

Elle est caractérisée par la présence de graphite sous forme de sphéroïdes (nodules). La teneur en carbone est similaire à celle des autres fontes. Les particules de graphite sphéroïdal se forment pendant la solidification grâce à la présence de petites quantités d'éléments nodulisants comme le magnésium et le cérium.

Procédé de Fabrication de la Fonte Ductile

Pour obtenir une fonte à graphite sphéroïdal, les étapes suivantes sont nécessaires :

• Désulfuration : Le soufre favorise la formation de flocons de graphite. Il est éliminé de la fonte en fusion.
• Nodulation : Du magnésium est ajouté. Cela élimine le soufre et l'oxygène restants dans le métal. Après nodulation, le graphite prend une forme sphéroïdale, et le fer devient de la fonte ductile.
• Inoculation : Un inoculant est ajouté après la nodulation. L'inoculation favorise la formation de graphite sphéroïdal et empêche la formation de carbures (fonte blanche) pendant la solidification.

Fonte à Graphite Compact (FGC)

La forme du graphite est intermédiaire entre lamellaire (fonte grise) et sphéroïdale (fonte ductile). Le graphite compact confère au métal une bonne résistance et une certaine ductilité, tout en conservant une bonne conductivité thermique et des propriétés d'absorption des vibrations.