Développement de micro-composites architecturés en aciers inoxydables duplex : élaboration, microstructure et propriétés mécaniques

Development of architectured micro-composite duplex stainless steels : manufacturing, microstructure and mecganical behavior

• Auteur / Autrice : Hasan Naser
• Direction : Alexis Deschamps, Marc Mantel, Muriel Véron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 26/05/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Allain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ludovic Thilly, Éric Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Propriétés mécaniques

Acier inoxydable

Mots clés libres

Propriétés mécaniques

Composite

Microstructure

Acier inoxydable

Mechanical properties

Composite

Microstructure

Stainless steels

Résumé

L'utilisation de l'acier inoxydable duplex (DSS) pour des applications structurales est considérée comme l'un des progrès les plus notables et qui a le plus grand impact sur le secteur de la construction. Ceci est grâce à ses propriétés mécaniques élevées couplées avec des propriétés fonctionnelles intéressantes telles que la résistance à la corrosion, ou encore la faible conductivité thermique par rapport aux aciers au carbone. En raison de sa microstructure et l'interaction complexe entre les phases, DSS a un fort potentiel pour le développement des propriétés uniques. Une meilleure compréhension est nécessaire pour obtenir des propriétés exceptionnelles et fournir la possibilité de concevoir un DSS sur-mesure et architecturé pour des applications spécifiques. Dans ce travail, nous avons proposé une approche différente de celle utilisée jusqu'à présent pour comprendre le comportement du DSS. La stratégie adoptée dans ce travail était une stratégie dite top-down dans laquelle au moins deux métaux ayant un comportement et des propriétés bien connues sont mécaniquement assemblés par déformation plastique sévère (SPD). Cette stratégie proposée a pour objectifs: i) améliorer les propriétés par raffinement de microstructure jusqu’à une échelle sub-micrométrique ii) l'élaboration d'un matériau modèle permettant de comprendre le comportement DSS obtenu par les méthodes métallurgique conventionnelles. Le premier objectif de ce travail était, par conséquent, la mise en œuvre d'une méthodologie de fabrication en utilisant la technique SPD par co-tréfilage. Cette technique permettra l'obtention d'une microstructure ultrafine des composites 316L / 430LNb. L'un des défis rencontrés au cours de notre étude était l'inter-diffusion significative lors de traitement thermique susceptible de limiter un raffinement supplémentaire de la microstructure en question. Une étude d'optimisation a été effectuée pour tenir compte du rôle de cette inter-diffusion pour un couple 316L / 430LNb. Ainsi, des micro-composites multi-échelles ont été obtenus. Dans ce travail, nous avons montré la limitation de ce processus en termes de raffinement de microstructure. Une rationalisation de ces limites a été donnée par une étude thermocinétiques sur les micro-composites et matériaux brut initialement utilisés. Parallèlement à l'évaluation de la microstructure, le comportement mécanique de ces nouveaux micro-composites a été examiné. Afin de fournir une explication plus approfondie sur le comportement plastique de nos composites, des essais de traction in situ par rayonnement X synchrotron à haute énergie ont été effectués.

The use of duplex stainless steel (DSS) grades for structural applications is considered as one of the most significant advances impacting the construction sector. This is because of their high mechanical properties coupled with interesting functional properties such as corrosion resistance or even the low thermal conductivity compared to carbon steels. Due to their complex microstructure and interaction between the phases, DSS have a significant potential for unique properties. A better understanding is needed to give the possibility to obtain break through properties and to provide the possibility to design tailor-made, architectured DSS for specific applications. In this work we proposed a different approach from that used until now to understand the behavior of DSS. The strategy adopted in this work was a top-down strategy in which at least two bulk metals with well known behavior and properties are mechanically alloyed by Severe Plastic Deformation (SPD). This proposed strategy served two main objectives: i) enhancing the properties by microstructure refining down to sub-micron scale ii) elaborating a material model for understanding the DSS behavior obtained by the conventional metallurgical methods. The first objective of this work was, therefore, the implementation of a methodology of manufacturing using SPD technique by co-drawing. This technique will allow obtaining an ultra-fine microstructure of 316L/430LNb composites. One of the challenges met during our study was the significant inter-diffusion during heat-treatment step necessary during processing preventing by consequence further refining. An optimization investigation was carried out to account the role of this inter-diffusion for 316L/430LNb couple. Multi-scale micro-composites have been then obtained. In this work, we showed the limitation of this process in terms of microstructure refining. A rationalization of these limits was given by studying the thermo-kinetics of both micro-composites and bulk materials. In parallel with the microstructural evaluation, the mechanical behavior of these new micr-composites was examined. In order to provide a more in-depth explanation of the plastic behavior of our composites, in situ tensile test using high energy X-ray synchrotron have been performed.