Relations quantitatives entre composition chimique, microstructure et propriétés mécaniques d'aciers bainitiques

Quantitative relationships between chemical composition, microstructure and mechanical properties for bainitic steels

• Auteur / Autrice : Victor Bordereau
• Direction : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 26/03/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Allain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Damien Fabregue, Marie-Thérèse Perrot-Simonetta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Denis, Sybrand Van der Zwaag

Mots clés

Mots clés contrôlés

Forgeage

Propriétés mécaniques

composition chimique

Acier austénitique

Mots clés libres

Bainite

Éléments d’alliage

Microstructure

Résistance mécanique

Resilience

Forge

Bainite

Alloying elements

Microstructure

Mechanical strength

Impact toughness

Forging

Résumé

Les aciers bainitiques refroidis à l'air libre sont de plus en plus utilisés à la place des aciers martensitiques trempés et revenus pour la réalisation de pièces forgées dans le secteur automobile. Ces aciers permettent la réalisation d'économies significatives de temps et d'argent lors de leur fabrication. Leur résistance mécanique élevée est obtenue grâce à une composition chimique complexe, générant une microstructure multi-échelle et multiphasée lors du refroidissement à l'air libre. Dans un souci d'amélioration continue de cet acier, il devient nécessaire de comprendre plus en profondeur les mécanismes physiques mis en jeu lors de la décomposition de l'austénite. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à cette compréhension en établissant des liens quantitatifs entre la composition chimique, la microstructure et les propriétés mécaniques pour cette gamme d'aciers dans des conditions représentatives du forgeage. L'influence de plusieurs éléments d'alliage sur la microstructure brute de forge, ainsi que quelques synergies entre ces éléments, a été établie grâce à l'étude de diagrammes TRC spécifiques à l'application visée. Les mécanismes de rupture dominants et les paramètres microstructuraux contrôlant la résilience ont été identifiés par l'étude des faciès de rupture, de l'endommagement dans le volume et par des caractérisations microstructurales ciblées. Les contributions respectives de chaque mécanisme classique de durcissement structural ont été déterminées de manière quantitative, sur la base de plusieurs hypothèses et de paramètres microstructuraux. Au passage, des informations précieuses sur le comportement global en traction de ces aciers ont été récoltées grâces à l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture en traction.Tous ces résultats ont permis l'identification des paramètres microstructuraux, comme la taille de paquet bainitique et la fraction de constituants microstructuraux secondaires, qui doivent être pris en considération lors de l'optimisation de la composition chimique.

Air-cooled bainitic steel grades are increasingly being considered as substitutes to quenched & tempered martensitic steels in the realization of automotive forged parts. They allow significant manufacturing cost and time reductions. To compete with martensitic steels, high mechanical strength is provided by a complex chemical composition, leading to a multi-scale and multi-constituent microstructure after air-cooling. In order to optimize such chemical composition, need in rationalization of the steel grade development has emerged.The main aim of this Ph.D project was to build a physically based knowledge of the steel grade by making quantitative links between chemical composition, microstructure and mechanical properties in as-forged condition.The influence of several alloying elements on the as-forged microstructure, as well as some synergies, has been established using relevant CCT diagrams.Dominant fracture mechanisms and controlling microstructural parameters in concern of impact toughness have been identified with the help of comprehensive fracture surface, cross-section observations and targeted quantitative microstructural characterization.The respective contributions to yield strength of classical strengthening mechanisms have been quantitatively determined, based on several hypothesis and the use of several microstructural parameters. At the same, precious information on tensile behaviour has also been deduced from the observation of the fractured tensile test specimens.All these results allow identifying the key microstructural parameters, such as bainitic packet size or secondary microstructural constituents content, that have to be targeted in the alloy design.