Th. univ.--Mécanique des solides et des structures--Paris 6, 1995. / Bibliogr. p. 149-155. Résumé.

La présente étude a pour but de déterminer l'influence de la composition chimique, des procédés industriels, et du traitement thermique d'alliages Al-Si sur leur comportement et leur durée de vie en fatigue. Il s'agit de diminuer le temps de développement d'une pièce et donc son coût, en augmentant la part des simulations numériques dans le processus de conception. On cherche donc à fournir un modèle unifié pour la classe des alliages d'aluminium de fonderie, à application pour les culasses automobiles.<br />1 Essais mécaniques<br />Des essais mécaniques ont permis de définir les lois de comportement et d'amor¸cage de quelques alliages représentatifs des différentes familles d'alliages, avec divers pourcentages de Si, Cu, Mg et divers traitements thermiques. Ces essais sont de type fatigue isotherme, fatigue thermomécanique, microscopie électronique en transmission, en balayage et dureté... Le point névralgique de cette étude est le caractère vieillissant de ces alliages, dû aux phénomènes de croissance/coalescence des précipités durcissants qui provoquent un adoucissement rapide en température.<br />2 Approche microstructurale<br />Le comportement dépend de la nature et de la taille des précipités durcissants que contient la matrice. Une étude au MET et une simulation sur le logiciel Thermo-calc nous ont permis de déterminer les domaines de stabilité des diverses phases durcissantes en fonction de la composition et de la température de revenu et/ou de service. La gamme de température étudiée va de 20 à 300°C. La concentration en éléments d'alliage va de 5 à 10% pour Si et de 0 à 3% pour Cu. Elle vaut 0.3% pour Mg. Le taux de résiduels (Fe, Mn, Ti...) dépend du grade de l'alliage. Les traitements thermiques sont T5, T6 et T7.<br />3 Comportement et amorçage<br />Les lois de comportement contrainte-déformation sont implantées dans le code de calcul par éléments finis ZéBuLon. Le modèle de comportement élastoviscoplastique est issu du modèle de Lemaitre et Chaboche. Un paramètre de vieillissement identifié à l'échelle microscopique et dont l'effet est sensible au point de vue macroscopique est ajouté à ce modèle. La variable interne a, qui modélise le vieillissement, porte principalement sur la limite d'élasticité et l'écrouissage cinématique, elle permet de rendre compte de la chute des propriétés mécaniques de l'alliage. Ceci complique les capacités de prévision de modèles du type Manson-Coffin ou Wöhler. Pour cette raison, on adapte à nos matériaux un modèle d'intéraction fatigue-fluage proposé par l'ONERA. Pour la prévision de la durée de vie, on utilise les données expérimentales en conditions stabilisées pour identifier les lois d'amorçage par le biais d'un post-traitement. Le modèle d'amorçage introduit une interaction fatigue-fluage non-linéaire. On retrouve ainsi naturellement à basse température un mode de rupture dominé par la fatigue et à haute température un effet prédominant du fluage.<br />4 Résultats<br />Ce modèle a été appliqué au calcul d'une structure réelle (culasse diesel), dont le maillage a été fourni par Renault.<br />La cartographie thermique, les champs de contraintes et de déformations, ainsi que les champs de vieillissement permettent de comprendre les mécanismes d'endommagement du pontet intersoupapes en fatigue thermo-mécanique en fonction de la composition chimique et du traitement thermique de l'alliage.

Ce travail porte sur la simulation numérique par éléments finis, d'écoulements tridimensionnels incompressibles à surface libre instationnaires. L'application industrielle visée est l'étude de la phase de remplissage des procédés de fonderie. Il consiste principalement en l'adaptation du logiciel REM3D® qui est un logiciel initialement dédié à l'injection des polymères. Les méthodes présentes dans ce code permettent de résoudre les écoulements visqueux à surface libre, dans une approche multidomaine. La résolution directe d'un problème de Navier-Stokes est effectuée en introduisant, dans le solveur initial, les termes de gravité et d'inertie. Ces derniers sont exprimés à l'aide d'une approximation P1 par morceaux de la vitesse, et de la vitesse moyenne par élément, qui est P0 par morceaux : les termes d'advection sont exprimés par une méthode Galerkin discontinu standard. Le problème en vitesse/pression est stabilisé par condensation de bulle. Cette méthode a été testée sur plusieurs cas académiques, pour des écoulements stationnaires et instationnaires, avec suivi de la surface libre. Enfin, afin de pouvoir simuler les écoulements rencontrés en fonderie, des conditions de contact glissant ont été introduites. Un algorithme original de construction de normales multiples conservatives aux nœuds a été implémenté et validé, dans un contexte multidomaine. Le logiciel de simulation ainsi construit, a été validé sur des cas tests spécialement mis au point pour la fonderie, et en thermique multidomaine.

Une étude expérimentale du scellement d'un ensemble anodique utilisé dans une cuve d'electrolyse permet de mieux connaître les enjeux thermiques et mécaniques rencontrés lors de la solidification du collet de fonte entre le rondin d'acier et le tourillon en carbone. Trois tourillons d'une anode cuite sont mesurés avec une machine à mesurer tridimensionnelle pour obtenir une représentation haute précision en trois dimensions de l'interface de carbone. Ces mesures sont ensuite comparées à la surface extérieure des collets de fonte solidifiés et refroidis pour connaître la dimension de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone. Trente-neuf thermocouples, placés dans une configuration stratégique permettent la reconstruction du champ de température dans les trois matériaux depuis le moment de la coulée jusqu'au refroidissement à température ambiante. Ceci rend possible l'évaluation des coefficients de transfert de chaleur aux interfaces fonte/carbone, fonte/acier et carbone/acier à l'aide d'un modèle thermique. De plus, une analyse métallographique est associée aux courbes de refroidissement enregistrées. En parallèle, un modèle thermomécanique tridimensionnel est développé pour prédire la formation de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone. La solidification de la fonte implique un retrait qui dépend de la composition chimique du métal, des changements de phase, des déformations d'origine thermique et des déformations viscoplastiques dans la phase semi-solide et dans l'état solide à haute température. Le logiciel de thermodynamique Thermo-Cale est utilisé pour calculer le parcours de solidification de la fonte et obtenir les propriétés thermiques nécessaires dans le modèle. Le solveur d'éléments finis commercial ABAQUS calcule la solution thermomécanique en tenant compte de la géométrie complexe d'un tourillon et des propriétés des matériaux dépendantes de la température. Pour valider n le modèle, la prédiction de l'espace d'air est comparée aux mesures expérimentales et aux données enregistrées par les thermocouples. Il a été trouvé que l'espace d'air ne peut être décrit par une simple relation linéaire en fonction de l'épaisseur de fonte. L'analyse métallographique révèle une variation significative de la microstructure à travers le collet de fonte et de la macroségrégation du carbone. Il est conclu que la meilleure évaluation des propriétés thermiques est faite en combinant le calcul à l'équilibre de Thermo-Cale, le calcul du module de Scheil et les observations expérimentales des courbes de refroidissement. Le modèle thermomécanique reproduit bien les mesures de températures, mais ne tient pas compte de la viscoplasticité à cause de problèmes de convergence, ce qui donne une prédiction incohérente de l'espace d'air. Toutefois, il est possible d'observer des tendances susceptibles de se produire dans une anode. Il est recommandé d'utiliser une nouvelle approche de modélisation en traitant le problème en plusieurs étapes indépendantes accompagnées de validations expérimentales avant l'intégration d'un modèle complet. La programmation en UMAT dans ABAQUS devrait être priviligiée. Les travaux expérimentaux futurs devraient inclure des essais mécaniques sur la fonte sur toute la plage de température concernée ainsi que des mesures d'espace d'air en temps réel avec des LVDT pendant la solidification d'un anneau de fonte. D'après les mesures d'espace d'air, il est aussi recommandé que les résultats des modélisations thermo-électro-mécaniques antérieures à ce projet soient réévalués selon les nouvelles données disponibles.

Afin d’optimiser le procédé de production de culasses automobiles en aluminium et d’améliorer sa fiabilité, une meilleure connaissance du comportement des noyaux de fonderie est nécessaire. Les noyaux sont des matériaux composés de grains de sable liés par une résine en faible proportion, et servent à mouler les conduits et cavités intérieurs des pièces métalliques. Au cours de leur cycle de vie, les noyaux sont amenés à subir de fortes températures et des sollicitations mécaniques complexes. L’objectif de cette étude est de caractériser le comportement thermomécanique des noyaux sous diverses sollicitations selon le taux de liant, la température et surtout l’état de dégradation de ce liant. En particulier, les travaux de cette thèse s’attardent sur les mécanismes d’endommagement et de fissuration des noyaux, dont la compréhension est la clé pour optimiser l’étape de débourrage qui consiste en la fracturation et l’élimination des noyaux. Les résultats de cette thèse serviront par ailleurs à nourrir un modèle numérique simulant le débourrage des pièces. Différents modes de chargements mécaniques ont été étudiés : flexion, compression, cisaillement, push-out, fatigue, fluage ou encore compression œdométrique. Ils correspondent à différents types de sollicitations, avec ou sans confinement du noyau, et permettent de caractériser soit le cœur ou la surface du matériau. L’endommagement peut être suivi grâce à la réalisation de cycles de décharge-recharge. Dans tous les cas, le comportement mécanique du noyau est fortement dépendant des propriétés et de l’état du liant. Ainsi, la dégradation thermique induite par la coulée de l’aluminium liquide modifie et dégrade nettement les propriétés du noyau. Des parallèles peuvent ainsi être dressés entre les propriétés du liant, le comportement mécanique du matériau sable/résine et l’endommagement microstructural observé après rupture. / Better knowledge about the mechanical behavior of foundry sand cores is required in order to optimize the aluminum cylinder head production process. Sand cores allow the casting of complex shape metallic parts and are made of sand grains, bound with a resin in low proportion. Sand cores are subjected to high temperatures and complex mechanical load during the production process. This study aims at characterizing the thermomechanical behavior of sand cores under various loads depending on the binder proportion, the temperature and mostly the binder thermal degradation. Particularly, we focus on the cores damage and fracture mechanisms. The understanding of such phenomena could lead to an optimization of the decoring step, consisting in the fracture and removing of the core from the metallic part. Indeed, the results of this Ph.D. thesis will be used to implement a numerical model of the decoring process. Different kinds of mechanical loads have been studied: bending, compression, shear, push-out, fatigue, creep or also oedometric tests. They correspond to different kinds of load, with or without confining pressure and allow a characterization of the bulk or the surface of the material. The core damage is followed by mechanical tests with unload-reload cycles sequences. For all the cases, the core mechanical behavior is highly dependent on the binder properties and thermal degradation. For example, the thermal degradation induced by the aluminum casting modifies and degrades significantly the core properties. Analogies could be drawn between the binder properties, bonded-sand cores mechanical behavior and the evolution of the fracture surfaces.

Le parachèvement des pièces de fonderie de haute technicité est une tâche indispensable, réalisée en grande partie manuellement, et vouée à disparaître de par sa pénibilité. Le travail présenté concerne la mise en oeuvre industrielle d'une cellule robotisée de parachèvement. Une première partie présente les contraintes liées au procédé de fonderie sable et leurs impacts sur le parachèvement. Le processus robotisé comporte une phase d'usinage et de ponçage associées à un recalage par vision. Un état de l'art en regard de nos contraintes d'intégration a conduit au choix d'un robot à structure parallèle (Tricept) associé à deux axes supplémentaires introduisant des redondances cinématiques. Sa mise en oeuvre vis-à-vis du processus a suivi une démarche en trois étapes : la modélisation analytique de la cellule obtenue par équivalent sériel, la formalisation des contraintes du processus et une résolution par optimisation multicritères. Elle a nécessité la définition de critères d'optimisation spécifiques (précision, cinématique, rigidité) et permet d'améliorer le comportement de la cellule par la gestion des redondances cinématiques. La dernière partie présente la mise en production industrielle sur une pièce de validation et l'outil d'optimisation développé.

Le groupe Montupet est un spécialiste de la conception et de la production de pièces de fonderie en aluminium usinées pour l’automobile. Les moules métalliques utilisés pour la réalisation de culasses automobiles en aluminium sont protégés par un revêtement appelé le poteyage. La principale fonction du revêtement de poteyage est de protéger l’outillage en acier de la corrosion chimique de l’alliage. Du fait de ses propriétés thermiques, une autre fonction du poteyage est la modulation des échanges thermiques entre le moule et la pièce en cours de solidification dont dépend fortement la microstructure finale de l’alliage. Le procédé utilisé aujourd’hui pour l’application du poteyage sur les parois du moule en acier consiste à projeter manuellement une barbotine au moyen d’un pistolet. Ce procédé ne permet pas d’obtenir la répétabilité des caractéristiques des couches déposées nécessaire au contrôle des gradients de solidification locaux. De plus, les outillages actuels souffrent de l’insuffisance de la protection du poteyage, ce qui conduit à une usure prématurée ayant un coût important et conduisant à des diminutions du rendement de l’outil industriel. Dans le cadre du projet PROOF de robotisation de l’étape de poteyage, les objectifs suivants ont été fixés. Il s’agit de mieux définir ce que devraient être les propriétés physicochimiques du poteyage. L’objectif à long terme est de réaliser une rupture technologique par l’application d’un revêtement permanent ou de longue durée de vie. Dans un premier temps, ces travaux présentent une caractérisation complète de la nature physico-chimique des suspensions des poteyages utilisés actuellement ainsi que l’étude de leur comportement en pulvérisation. Dans un second temps, après que des revêtements aient été produits par projection plasma sous air (APS), il est apparu nécessaire de comparer leurs propriétés thermiques à celles des revêtements de poteyage. Des valeurs de diffusivité thermiques ont été mesurées, les valeurs de conductivités thermiques des revêtements étudiés ont ensuite été calculées puis confirmées expérimentalement. La dernière partie de ces travaux s’attache à présenter les outils mis en place en usine afin de tester les revêtements créés par projection plasma et de vérifier leur adéquation (thermique et chimique notamment) avec la coulée de pièces en alliage d’aluminium. Ces essais en conditions réelles ou semi-réelles permettent la comparaison de l’efficacité de tous les revêtements étudiés. / Montupet is specialized in the manufacture of aluminium foundry components for the automotive industry. The metallic molds used for aluminium cylinder heads are protected by a specific coating called die coating. The main objective of this die coating is to protect the steel tool from chemical corrosion of the liquid alloy. Because of its thermal properties, another of its aims is the adjustment of the thermal exchanges between the mold and the solidifying aluminium, which strongly affects the final microstructure of the alloy. The process used nowadays to coat the die coating on the steel mold walls consists in spraying manually a suspension. However, this process does not allow to obtain reproducible characteristics of the coated layers necessary to control the local solidification gradients. Furthermore, the current tools suffer from the inadequate protection of the die coating, which leads to premature wear resulting in important costs and a decrease of the efficiency of the industrial tool. In the frame of the PROOF project, aiming in the automatisation of the die coating projection, several objectives were set: better know what should be the physico-chemical properties of the die coating and realize a technological jump by creating a long-life or even permanent coating. Firstly, this work shows a complete characterization of the physico-chemical state of the suspensions used nowadays as well as the study of their behavior during spraying. Then, once the coatings were produced by Air Plasma Spraying (APS), it appeared necessary to compare their thermal properties to the ones measured on the die coatings. Hence, thermal diffusivity values have been measured. Afterwards thermal conductivity of the studied coatings have been calculated and finally experimentally checked. Eventually, this work shows the tools developed within the company in order to test the plasma coatings and to check their thermal and chemical compatibility to the process of aluminium casting. These trials in real or semi-real conditions allow the efficiency comparison of the whole studied coatings.

L'utilisation d'alliages de magnésium est d'un intérêt majeur pour l’allègement des structures dans le domaine aéronautique. Leur principal inconvénient est leur forte oxydation rendant leur coulée hasardeuse. Aujourd'hui, l’association de la simulation numérique avec les procédés automatisés d'impression 3D de moule en sable et de coulée Basse-Pression (BP) promet l’amélioration de la robustesse de fabrication tout en limitant les itérations à l’échelle industrielles. Toutefois, ces méthodes récentes souffrent d’un manque de données sur la préparation et la génération des défauts lors du remplissage des alliages comme le RZ5.Dans ce travail, après avoir défini dans quelle mesure les règles métiers actuelles de préparation des alliages Mg-Zr sont adaptées au procédé BP, des essais de coulabilité expérimentaux à l’échelle industrielle ont été développés. L’analyse des données expérimentales et de simulations numériques des écoulements permettent d’établir des modèles analytiques de prédiction du risque inclusions d’oxydes et de malvenue. Ces modèles sont utilisés pour proposer une cartographie du procédé limitant les défauts de remplissage, et pour définir une méthodologie de conception des grappes de coulée spécifique à la BP appliquée sur une pièce industrielle en RZ5. / The use of magnesium alloys has a considerable interest to reduce the mass of components in the aeronautics industry. The main drawback of magnesium alloys is their high oxidization leading to hazardous casting conditions. Nowadays, a renewed interest for magnesium alloys is related to the association of casting simulation software with Low-Pressure Casting (LPC) and sand printing. It should improve process robustness and limit the part design iterations. Nevertheless, these recent process lack of data on melt refining and the castability of magnesium alloy as RZ5 in LPC.This work proposes an experimental analysis of the actual Mg-Zr refining rules to define in what extent they are suitable in LPC process. Experimental castability tests at the industrial scale are then developed and they are compared with fluid flow simulations. They permit to establish analytical models of oxide inclusions and misrun predictions to define a process map limiting these defects. A specific LPC part design methodology is proposed and is applied on an industrial part.

Cette étude concerne la précipitation "in-situ" de cristaux de monoborure de titane (TiB) au sein d'une matrice de titane ou d'un alliage pour une application aéronautique. Dans un premier temps, nous avons étudié la précipitation de TiB à partir de titane et d'alliage de titane (Ti-6Al-4V) ainsi que sa morphologie dans diverses conditions (phase solide, liquide et gaz). Il ressort que le procédé de fonderie associé au moulage en cire perdue semble être une méthode prometteuse pour l'amélioration de la résistance mécanique du titane associé au TiB. La fonderie du titane est un procédé associé (i) à des microstructures grossières et variables d'un point à l'autre, (ii) à une pollution superficielle des pièces et (iii) aux problèmes de fusion du titane (température de fusion élevée, forte réactivité vis à vis de l'atmosphère et du moule). Nous avons pu constater que l'incorporation du bore ne pose pas de problème particulier et la présence du TiB est bénéfique sur la microstructure car il diminue la taille des grains de phase alpha. L'étude du comportement mécanique en traction permet de mettre en évidence un gain de résistance. Pour une matrice de titane non allié, la résistance à la rupture et la limite d'élasticité sont doublées avec seulement 3% en volume TiB. Pour l'alliage de Ti-6Al-4V, le renforcement est moins spectaculaire que pour le titane mais demeure toutefois très intéressant et le meilleur matériau est obtenu pour 0,5% en volume de TiB. Les faciès de rupture laissent apparaître des cristaux de TiB clivés selon leur longueur. Le clivage des cristaux de TiB est à l'origine de l'initiation des fissures au sein du matériaux.

La plupart des entreprises de fonderie font de plus en plus appel à l'informatique pour faciliter la phase de conception du moule; toutefois son emploi est limité le plus souvent à la simulation de la coulée. L'objectif général est donc d'améliorer l'utilisation de l'outil informatique dans les processus de fonderie. Cette thèse présente l'analyse, faite à partir d'une étude de cas, des possibilités offertes par des logiciels actuels et, lors de leur utilisation, les différents modèles qu'il est nécessaire de générer. La structuration du processus de conception autour d'un support d'intégration produit/process et l'analyse de ces modèles servent de support à la réflexion pour la mise au point d'une méthodologie de conception intégrée en fonderie. Les lacunes actuelles du processus de conception sont identifiées: elles sont caractérisées notamment par des ruptures totales ou partielles de la chaîne numérique c'est-à-dire l'absence ou l'insuffisance de liens inter-modèles qui conduisent à des problèmes de maintien de cohérence globale et à des manques de réactivité lorsque des modifications doivent être apportées. Le cas particulier de l'étape de définition des systèmes d'alimentation (masselottage) est présenté. Pour répondre aux besoins importants de réactivité dans cette phase, une approche basée sur la mise en oeuvre d'outils de simulation rapide est proposée. Elle permet d'évaluer différentes solutions et donc optimiser les systèmes de remplissage et d'alimentation, améliorant ainsi la qualité de la pièce. La validation de cette approche par des outils métiers de simulation numérique est présentée. Une maquette informatique illustrant son intégration avec les outils de CAO du marché est également décrite.