Solidification à l'Échelle du Lingot ou de la Pièce Moulée

Lors de l'élaboration d'un alliage, le matériau est porté à l'état liquide puis il est coulé dans une lingotière ou moulé pour obtenir une pièce de forme.

Dans le cas de la coulée statique en lingotière, la structure macroscopique de l'alliage dépend à la fois de la vitesse de germination et de la vitesse des échanges thermiques (nature et épaisseur de la paroi de la lingotière). Si on considère une tranche à mi-hauteur de la lingotière on observe généralement trois zones de cristallisation différentes, comme cela est présenté sur l'illustration suivante :

  • zone I (peau) :

    au début de la solidification, le refroidissement est intense au niveau de la paroi, il y a une forte surfusion, les germes de cristallisation sont très nombreux donc la croissance des grains est très limitée : les cristaux formés sont équiaxes, de faible taille et leur orientation est quelconque.

  • zone II (zone basaltique) :

    au fur et à mesure que la peau se solidifie, la surfusion s'abaisse, le pouvoir de germination diminue donnant lieu à des grains de forme allongée colonnaire.

  • zone III (zone centrale de solidification équiaxe) :

    le lingot se décolle progressivement de la paroi et les échanges thermiques se font plus lentement. La solidification se fait dans un liquide à température quasi-homogène : la cristallisation est équiaxe.

Macrographie d'un acier réfractaire moulé et Schématisation de zones de cristallisation à l'échelle du lingotInformations[1]
Macrographie d'un acier réfractaire moulé et Schématisation de zones de cristallisation à l'échelle du lingotInformations[2][Zoom...]

À cette hétérogénéité structurale s'ajoute généralement une hétérogénéité chimique à l'échelle du lingot ou ségrégation majeure. Ce phénomène est lié à l'existence d'un gradient thermique dans le lingot et au fait que la solidification n'est pas simultanée en tout point. Les zones solidifiées en dernier ont tendance à s'enrichir en éléments qui augmentent la fusibilité.

Un lingot présente donc des propriétés chimiques et mécaniques hétérogènes. Cette hétérogénéité est modifiée voire corrigée par les traitements thermomécaniques ultérieurs (forgeage, laminage...).