Les fontes usuelles sont des alliages de fer à hautes teneurs en C et Si dans lesquels le carbone est précipité sous forme de graphite. La plupart des fontes industrielles reçoivent un traitement de sphéroïdisation du graphite qui précipite alors sous forme de nodules. Toutefois, la présence dans le métal de certaines impuretés ou éléments d’addition (en particulier les terres rares), de même que de lentes vitesses de refroidissement, peuvent conduire à l’apparition de formes dégénérées du graphite sphéroïdal. Une de celles-ci est le graphite "chunky" dont l’apparition réduit de façon importante les propriétés mécaniques des pièces coulées. Le but de ce travail a été l’étude de l’influence de certains éléments chimiques sur la forme de croissance du graphite dans la fonte sphéroïdale. Une nouvelle méthode d’analyse chimique a été mise au point pour quantifier les éléments minoritaires dans ce type d’alliages. Elle a permis d’abaisser les limites traditionnelles de quantification par rapport à d’autres techniques, et a été appliquée pour démontrer l’absence de macro-ségrégations dans des pièces épaisses. La nature eutectique des cellules du graphite Chunky a aussi pu être mise en évidence. L’étude de prélèvements sur pièces épaisses a montré la présence de nombreuses inclusions, qui ont pu être comptées et analysées dans les zones à graphite chunky et dans celles qui en sont exemptes. L’analyse de ces inclusions a montré qu’elles ne contiennent pas d’oxygène pour la plupart d’entre elles et doivent avoir une formulation stœchiométrique du type (Ce,La)xSy. Ce type d’inclusions a été étudié par analyse thermique différentielle afin de caractériser les conditions de leur formation et de leur dissolution. Les domaines de température correspondants à leur précipitation et leur dissolution ont été proposés. Prenant comme départ une composition chimique et une gamme de températures de travail typiques des procédés de fonderie de ce type d’alliages, la précipitation des sulfures binaires de cérium et la séquence de formation la plus probable des inclusions ont été simulées par calculs thermodynamiques. Compte tenu de la variation en composition chimique avec l’évolution de la fraction liquide durant la solidification eutectique des fontes, la possibilité de précipitation secondaire de chaque type de sulfure de cérium a été modélisée. / Usual grey cast irons are Fe-rich alloys with high C and Si content in which carbon precipitates as graphite. For many applications, a so-called spheroidizing treatment is applied to industrial cast irons so that graphite precipitates as spherical nodules. However, the presence in the melt of impurities or alloying elements such as rare earths, as well as very low cooling rates, may lead to the formation of degenerate spheroidal graphite. One of these degenerate shapes is known as "chunky" graphite which strongly reduces the mechanical properties of the castings. The goal of this work was studying the effect of some chemical elements on the growth shape of graphite in spheroidal graphite cast irons. A new chemical analysis methodology has been established for quantifying minor elements in this kind of alloys. This technique allowed reducing the quantification limits with respect to usual techniques, thus allowing to check for the absence of macrosegregation in thick cast parts. The eutectic nature of chunky graphite cells could also be established. Study of samples machined out from heavy-section cast parts showed the presence of numerous inclusions which could be quantified in areas with and without chunky graphite. EDS analysis of these inclusions showed most of them do not contain oxygen and should have a formula close to (Ce,La)xSy. These inclusions have been studied by differential thermal analysis (DTA) in order to demonstrate the conditions for their formation and dissolution. Temperature ranges for their precipitation upon cooling and dissolution upon heating could be suggested. Taking into consideration standard ranges for chemical composition and temperature range for melt processing, precipitation of binary cerium sulfides and the most probable sequence of precipitation have been simulated using thermodynamic data. Considering the change of chemical composition of the liquid during the eutectic solidification of cast irons, the possibility of precipitation of each type of cerium sulfide has been simulated

Lors de la solidification d'un alliage métallique, des hétérogénéités de composition en éléments d'alliage et des hétérogénéités de taille des structures apparaissent. La modélisation est un outil précieux dans la maitrise de la formation de ces hétérogénéités, qui sont incompatibles avec les exigences industrielles. Au niveau international, le code de calcul SOLID est l'unique code de solidification permettant la prise en compte simultanée de la germination, de la croissance et du transport des grains, de la convection naturelle et du retrait à la solidification à l'échelle industrielle. Le travail de thèse a pour but d'améliorer la description du couplage de la germination et de la croissance des grains dans ce modèle. La diffusion solutale, qui contrôle la croissance des grains, est ainsi modélisée par une longueur de diffusion prenant en compte à la fois l'avancée de l'interface grain-liquide et la convection de la phase liquide. A l'échelle microscopique, une troisième phase est également ajoutée afin d'améliorer la prédiction de la croissance des grains, notamment du développement de leur morphologie. Le modèle permet de prédire quantitativement la compétition entre germination et croissance à l'échelle microscopique. Le modèle est ensuite appliqué à des cas de coulée en lingot fixe et de coulée semi-continue afin d'étudier le couplage entre germination et croissance à l'échelle macroscopique, en présence de transport à la fois des grains, des germes et du soluté. Les prédictions du modèle sont comparées à des mesures expérimentales et permettent de mettre en évidence l'importance du transport, non seulement des grains mais également des germes, dans la formation des hétérogénéités. La prise en compte de la dendritisation des grains au cours de la solidification modifie également de façon importante les prédictions, même lorsque leur morphologie finale est globulaire / During solidification of metallic alloy, heterogeneities of solute composition and microstructure size appear. Mathematical models are valuable tools in the understanding and the control of the formation of these heterogeneities, which are incompatible with industrial requirements. Worldwide, SOLID is the only solidification model that simultaneously accounts for inoculation, the growth and motion of grains, natural convection and solidification shrinkage. The aim of this thesis is to improve the modelling of the coupling of nucleation and grain growth in this model. The solute diffusion, which controls the grain growth, is modelled by a diffusion length that takes into account both the motion of the solid-liquid interface and the convection of the liquid. At the microscopic scale, a third phase is added in order to improve the prediction of the growth of grains, particularly of the development of their morphology. The model can quantitatively predict the competition between the nucleation on inoculant particles and the grain growth at the microscopic scale. The model is applied to solidification of a static ingot and to direct chill casting in order to study the inoculation-growth coupling at the macroscopic scale. At this scale, the transport of the grains, of inoculant particles and of solute are all considered and are fully coupled. Comparisons of the model predictions to experimental measurements show the fundamental role of the transport of inoculants and of grains in the formation of the heterogeneities. The consideration of the development of dendritic grain morphologies considerably influences the predictions, even when their final morphology is globular

Les coulées industrielles permettent de distinguer deux types de structures : colonnaires et équiaxes. La mise en place de ces structures a des conséquences importantes sur les autres hétérogénéités, particulièrement les macroségrégations chimiques. Le code SOLID, développé à l’Institut Jean Lamour, permet de décrire de manière couplée la convection naturelle du liquide ainsi que la germination, la croissance et le transport des grains équiaxes. Le travail présenté a pour but de proposer une modélisation de l’apparition et de la croissance des structures colonnaires couplées à celles des grains équiaxes, permettant ainsi de prédire la Transition Colonnaire-Equiaxe (TCE) et Equiaxe-Colonnaire (ECT). La particularité du modèle est de considérer la croissance couplée des structures uniquement au niveau des pointes primaires colonnaires car c’est à cet endroit que les gradients de soluté sont les plus importants. Après validation, le modèle est appliqué à des cas de coulées industrielles de lingots d’acier et comparé à des mesures expérimentales. Il en ressort en premier lieu que sans la modélisation du mouvement des grains équiaxes, les morphologies et les ségrégations de carbone prédites ne correspondent pas à l’expérience. Par la suite, on montre que les résultats obtenus dépendent fortement du scénario d’apparition des grains équiaxes. Une germination hétérogène volumique des grains équiaxes ne permet pas de prédire la TCE expérimentale. En revanche, la fragmentation des grains, associée à un critère pour le début de la fragmentation, prédit une TCE et des ségrégations en carbone en accord avec l’expérience. On montre alors que la masselotte des lingots peut ainsi être une source importante de grains / It is possible to distinguish two main types of structures in castings: columnar and equiaxed. The dynamic set up of these structures has a strong impact on other heterogeneities, especially the chemical macrosegregations. Developed at the Institut Jean Lamour, SOLID is a numerical code that accounts for natural convection as well as the germination, growth and transport of equiaxed grains. The purpose of this work is to model the appearance and the growth of the columnar structures coupled with the description of the equiaxed grains. The model can therefore predicts the Columnar-to-Equiaxed (CET) and Equiaxed-to Columnar (ECT) Transitions. The main characteristic of the model is to consider the coupled growth of both structures only in the zone near the tips of the primary columnar dendrites. It is indeed there that the strongest solute gradients are located. The model is verified by comparing it to experiments and other models of the literature. The model is then applied to the case of industrial steel ingots and compared to experimental measurements. The first result is that without taking into account the movement of the equiaxed grain the results for equiaxed grain morphology and for macrosegregation do not agree with the measurements. Next, we find that the phenomenon considered for equiaxed grain formation is decisive for the CET prediction. When heterogeneous volumic nucleation is considered, we were not able to predict the CET correctly. However, when fragmentation at the columnar front is considered – along with a criterion for the onset of fragmentation – the results agree quite well with the experiments. It is also shown that the hot-top of ingots is consequently an important source of equiaxed grains