Caractérisation et modélisation thermomécaniques multi-échelles des mécanismes de déformation et d'écrouissage d'aciers austénitiques à haute teneur en manganèse : application à l'effet TWIP

Multiscale characterization and modeling of the thermomechanical deformation and hardening mechanisms of high manganese austenitic steels : focus on the TWIP effect

• Auteur / Autrice : Sébastien Allain
• Direction : Gérard Michot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Acier austénitique

Acier au manganèse

Écrouissage

Transformations martensitiques

Mots clés libres

Energie de défaut d'empilement

Maclage mécanique

Plasticité polycristalline

Résumé

Les aciers austénitiques FeMnC à haute teneur en manganèse ont une faible énergie de défaut d'empilement (EDE). Ils se déforment donc par glissement, mais aussi par maclage ou par transformation martensitique [Epsilon]. Le modèle thermochimique développé, incluant la transition magnétique de Néel, détermine l'EDE et les mécanismes de déformation activés en fonction de la température et de la composition. Les essais de traction réalisés sur des nuances Fe22MnO,6C et 1,OC de 77 K à 673 K montrent que l'allongement homogène est contrôlé par le taux d'écrouissage, en accord avec le critère de Considère. Le meilleur compromis allongement / résistance est obtenu à 298 K quand le maclage est activé (effet TWIP). A haute température, l'écrouissage latent seul conduit à un allongement et une résistance mécanique faibles. A basse température, la transition martensitique [epsilon] se substitue au maclage, le glissement est thermiquement activé et la résistance mécanique est maximale. A 298 K, l'étude MET montre que le maclage se produit sous forme de faisceaux de micromacles qui sont des obstacles forts au glissement. Leur épaisseur a été déterminée par simulation 2D à l'échelle des dislocations. A l'échelle des grains, deux systèmes de maclage sécants sont activés séquentiellement. Seule l'activation du second système vers 15 % de déformation contribue efficacement à l'écrouissage en réduisant le libre parcours moyen des dislocations mobiles. Un modèle de plasticité polycristalline à loi de transition d'échelle simple est proposé. Le comportement viscoplastique de chaque grain est calculé à partir des densités de dislocations stockées sur chaque système de glissement. L'activation de deux systèmes de maclage est contrôlée par une loi de Schmid et induit une réduction du libre parcours moyen des systèmes de glissement sécants. Le modèle reproduit avec une très bonne corrélation le lien entre la microstructure de maclage et les propriétés mécaniques.

The high manganese austenitic steels have a low stacking fault energy (SFE). Their plastic deformation is achieved by slip, but also by twinning or by [epsilon] martensitic transformation. Our thermochemical modeling including the Néel magnetic transition determines the value of the SFE and the deformation mechanisms activated as a function of the temperature and the composition. Tensile tests performed on Fe22MnO. 6C and 1. OC grades between 77 K and 673 K show that the homogeneous elongation is controlled by the work hardening rate through Considère's criterion. The best compromise between elongation and tensile strength is obtained at 298 K when twinning is activated (TWIP effect). At high temperature, the mere latent hardening leads to a low elongation and tensile strength. At low temperature, twinning is replaced by the [epsilon] martensitic transformation, gliding is thermally activated and the tensile strength is maximal. At 298 K, the TEM study reveals that twinning occurs by formation of microtwins gathered into stacks which are strong obstacles for dislocation gliding. Their thickness is determined by a 2D simulation at the scale of the dislocations. At the scale of the grains, two secant twinning systems are sequentially activated along with strain. Only the second twinning system, which appears at about 15 % strain, contributes efficiently to work hardening by reducing the mean free path of mobile dislocations. A crystal plasticity framework which is based on simple scale transition laws bas been developed. The viscoplastic behavior of each grain depends on the dislocation densities stored on each slip system. The activation of two twinning systems is triggered by a Schmid law and leads to a rapid decrease of the mean free path for the secant slip systems. The model well reproduces the link between the twinning microstructure and the mechanical properties.