Analyse microstructurale et modélisation des évolutions dimensionnelles de l'acier 100Cr6 : structures martensitique et bainitique

= Microstructural analysis and modelling of the dimensional variations of the 100Cr6 bearing steel : martensitic and bainitic structures

• Auteur / Autrice : Christine Sidoroff
• Direction : Alain Vincent, Patrick Franciosi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier martensitique

Acier -- Analyse

Homogénéisation (équations différentielles)

Austénite

Martensite

Résumé

Les roulements nécessitent l'utilisation d'aciers à hautes caractéristiques mécaniques alliants une bonne stabilité dimensionnelle à une grande dureté. Notre étude est consacrée à la mesure, la caractérisation microstructurale et la modélisation des évolutions dimensionnelles de l'acier à roulement 100Cr6, dans des états martensitiques et bainitiques, lors de maintiens isothermes. Expérimentalement, nous avons caractérisé les cinétiques d'évolutions dimensionnelles au cours de revenus isothermes dans le domaine 110 -240ʿC. Pour analyser ces cinétiques, une étude microstructurale par RX et MET a été réalisée, qui a permis de préciser les phases en présence à divers stades des sollicitations thermiques imposées. Enfin, nous avons approché les cinétiques d'évolution microstructurale de l'acier par mesure des variations du Pouvoir Thermo-Electrique, qui est très sensible aux défauts du cristal et en particulier à la teneur de carbone en solution solide. Ces analyses nous ont conduit à retenir deux mécanismes essentiels pour modéliser les évolutions dimensionnelles : la précipitation des carbures en deux stades, responsable de la contraction de la structure martensitique, et la décomposition de l'austénite résiduelle, entraînant une dilatation. La modélisation proposée pour l'estimation des variations dimensionnelles est fondée sur l'utilisation multi-échelle de diverses procédures d'homogénéisation en mécanique des solides hétérogènes. Le formalisme est celui de la thermoélasticité linéaire. Cette modélisation est basée sur une description précise de l'arrangement morphologique (en plusieurs niveaux d'hétérogénéité) des phases constitutives des structures étudiées, et des déformations de transformation dont ces phases sont le siège. Cette modélisation permet de bien rendre compte des variations dimensionnelles observées. Le travail montre la pertinence de la démarche, tout en mettant en évidence la nécessité de fournir des données d'entrée précises pour les paramètres morphologiques et mécaniques que ce type de modélisation appelle.

Bearing are manufactured from high elasticity steels that show a good dimensionel stability and a correct hardness. Our study is to measure, characterise the microstructural evolution and model the dimensional variations of a 100Cr6 bearing steel in martensitic and bainitic states during isothermal ageing. Experiments were performed to characterise the kinetic evolution during isothermal ageing in the temperature rang of 110-240°C. To analyse these kinetics, microstructural studies by X-ray diffraction and TEM were conducted, and the phases in the different stages of the thermal ageing were identified. The kinetics of the microstructural evolutions were evaluates by measuring the variations of thermoelectric power, sensitive to the crystal defects, and especially carbon in solid solution. According to these studies, two mechanisms were considered to model the dimensional variations : carbide precipitation in two stages, involving a contraction of the martensitic structure, and the retained austenite decomposition, leading to an expansion. The model proposed to estimate the dimensional variations was founded on the multiscale use of several homogenisation procedures in heterogeneous solid mechanics. The linear thermoelastic formalism was considered. The model was based on an accurate description of the phases morphological arragement (in several heterogeneity levels), and on the transformations strains taking place. This model predicts correctly the experimental dimensional variations. This work showed that our approach was relevant, while displaying the need of having accurate inputs for the mechanical and morphological parameters required by this kind of model.