L'augmentation des performances des moteurs conduisent à un accroissement des températures dans les collecteurs d'échappement. Les fontes ferritiques, GS50 ou SiMo, utilisées par RENAULT présentent des évolutions microstructurales à température élevée (800oC) qui peuvent compromettre leur résistance. Plutôt que d'adopter des matériaux plus résistants, mais plus chers, une meilleure connaissance des évolutions microstructurales des fontes GS et de leur comportement permettraient d'optimiser la géométrie des pièces dans la recherche d'un compromis légèreté-fiabilité. Une expertise de collecteurs vieillis sur banc, comparés aux mêmes pièces à l'état brut, a permis de recenser trois principaux modes d'endommagement : oxydation, décarburation et transformation de phases. Ils ont été étudiées par des essais de vieillissement isotherme et anisotherme. Les cinétiques d'oxydation et de décarburation ont été déterminées à différentes températures. La connaissance des mécanismes de vieillissement ont permis de reproduire sur des éprouvettes massives certaines des microstructures observées. Les matériaux décarburés et bruts de coulée ont été comparés lors d'essais de dilatométrie et de fatigue oligocyclique. Et des lois de comportement élasto-viscoplastiques des nuances brutes et vieillies ont été identifiées. Des essais de fatigue thermique ont été simulés avec une bonne précision à partir des lois de comportements déterminées par des essais isothermes. Les résultats de simulation d'essais thermomécaniques sur des matériaux en partie décarburés, effectués sur une géométrie simple, sont suffisamment satisfaisants pour envisager d'étendre ces calculs à des collecteurs d'échappement.

Les fontes à graphite sphéroïdal sont aujourd’hui très largement utilisées en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques. La forme sphéroïdale du graphite est obtenue le plus souvent par l’ajout de magnésium ou de cérium lors de l’élaboration des fontes. Le graphite sphéroïdal peut être obtenu par graphitisation à l'état solide des fontes totalement ou partiellement solidifiées dans le système métastable. L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet du traitement de graphitisation à l’état solide sur la croissance du graphite nodulaire d’une fonte à paroi mince qui présente une structure truitée à l'état brut de coulée. Cette fonte a été étudiée par microscopie optique, microscopies électronique à balayage et en transmission, spectroscopie Raman et spectroscopie de perte d'énergie des électrons. Des traitements thermiques assurant une graphitisation totale et partielle pour décomposer la cémentite formée à la solidification en graphite et en austénite ont été réalisés. Les nodules deviennent plus nombreux et leur taille augmente en fonction du temps de graphitisation. La microstructure après traitement thermique est composée de nodules de graphite et de ferrite. La spectroscopie Raman a été utilisée pour caractériser les nodules de graphite d’échantillons ayant été entièrement graphitisés à différentes températures dans le domaine austénitique. L’analyse par spectroscopie Raman ne montre aucune différence significative entre les spectres Raman enregistrés sur le graphite formé lors de la solidification et à l’état solide. Les caractérisations microstructurales par microscopie électronique en transmission montrent que le graphite à l’état brut de coulée présente une structure caractérisée par une zone interne où le graphite est désorienté. Une déformation mécanique due à la contraction lors de la solidification métastable induit la formation de cette zone. Cette zone disparaît par recristallisation après traitement de graphitisation totale pour former à la fin des secteurs coniques rayonnant à partir du germe et se développant vers la périphérie. Les résultats de ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la structure de graphite nodulaire à l’état solide et montre aussi que le mécanisme de croissance du graphite nodulaire est le même lors de la solidification et de la transformation à l'état solide. / Spheroidal graphite iron castings are today widely used because of their good mechanical properties. The spheroidal shape of graphite is most often obtained by the addition of magnesium or cerium during the casting process. Spheroidal graphite can be formed at the solid-state by graphitization of cast irons which solidified partly or totally in the metastable system. The purpose of this work is to study the effect of solid-state graphitization treatment on the growth of nodular graphite of a thin wall casting which has a mottled structure at the as-cast state. This cast iron was studied using optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy, Raman spectroscopy and electron energy loss spectroscopy. Heat treatments ensuring a total and partial graphitization to decompose the cementite formed at the solidification in graphite and austenite were realized. The nodules become more numerous and their size increases according to the time of graphitization. The microstructure after heat treatment is composed of graphite nodules and ferrite. Raman spectroscopy has been used to characterize graphite nodules in as-cast state and in samples having been fully graphitized at various temperatures in the austenite field. The results show no significant difference between Raman spectra recorded on these various samples, suggesting graphite grows with the same mechanism during either solidification or hightemperature (so-called first stage) graphitization. Transmission electron microscopy characterizations show that nodules in the as-cast material presents a multi-fold structure characterized by an inner zone where graphite is misoriented and an outer zone where it is well crystallized. In heat-treated samples, graphite nodules consist of well crystallized sectors radiating from the nucleus. These observations suggest that the misoriented zone appears because of mechanical deformation when the liquid contracts during its solidification. During heat-treatment, this zone disappears by recrystallization. The results of the present work lead to a better understanding of the nodular graphite structure in the solid state and also show that nodular graphite growth mechanism is the same during solidification and solid-state transformation.

Les conditions thermiques et le traitement du métal liquide pour la coulée centrifuge des tuyaux de canalisation permettent d'obtenir une solidification sous forme de graphite sphéroïdal sur l'ensemble de l'épaisseur. Il est parfois observé en peau des zones solidifiant selon le mode blanc qui peuvent induire des différences de réponses métallurgiques problématiques. La caractérisation de tuyaux de différents diamètres montre qu'une compétition entre la croissance de l'eutectique métastable et la germination et croissance de l'eutectique stable existe dès le tout début de la solidification. Pour préciser les conditions thermiques de cette compétition un dispositif de chute de goute sur substrat a été utilisé pour lequel la solidification rapide et dirigée se déroule avec mesure de l?évolution de la température aux premiers moments de la solidification (t<200 ms). La caractérisation des microstructures à l'état brut de coulée et après traitement thermique a montré que ce dispositif permettait de reproduire les conditions thermiques de la peau des tuyaux et de figer la structure précurseur de celle obtenue par coulée centrifuge. Un modèle physique décrivant les premiers instants de la solidification sous très fort gradient thermique d'une fonte inoculée et traitée au Mg est présenté, prenant en compte la cinétique de germination et croissance des nodules de graphite en compétition avec la solidification de l'eutectique métastable. La comparaison entre les résultats du modèle et les caractérisations microstructurales permet de préciser les scénarios de formation des microstructures en découplant l'influence du gradient thermique et de la vitesse de solidification / The thermal conditions and the treatment of the liquid metal for centrifugal casting of pipes lead to the solidification of the melt in the form of spheroidal graphite (SG) iron throughout the thickness. However it is sometimes observed zones that are solidified within the white mode (eutectic austenite / cementite) mainly in the skin of the product. These areas lead to differences which could be problematic. Further characterization of the microstructure of pipes shows that competition between the nucleation and growth of stable and metastable eutectic growth exists from the beginning of solidification. To clarify the thermal conditions of this competition an experimental device has been used. Liquid metal droplet fall on a cold substrate. Rapid directionnal solidification occurs and the temperature evolution of the lower surface of the droplet is recorded during the very first moment of solidification (< 200 ms). Characterization of droplet microstructures obtained in as-cast state and after heat treatment showed that the device is able to froze the solidified microstructure in an earlier stage of formation than in the as cast pipe. A physical model describing the first instants of the solidification under very high thermal gradient of a cast iron which is inoculated and treated with Mg is presented, taking into account the kinetics of nucleation and growth of graphite nodules in competition with the solidification of the metastable eutectic. The comparison between the calcluated results and microstructural characterizations allows to specify microstructures devlopment scenarios by decoupling the influence of the thermal gradient and solidification rate