Study of grain boundary oxidation of high alloyed carbon steels at coiling temperature

par Larissa Agrizzi Ronqueti

Thèse de doctorat en Mécanique et Matériaux : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)

Sous la direction de Jérôme Favergeon et de Marion Risbet-Voitot.

Soutenue le 06-02-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

mots clés

• Oxydation aux joints de grains
• Oxydation interne sélective
• Analyse thermogravimétrique
• Refroidissement des bobines
• Désorientation des joints de grains
• Alliages modèles à base de fer
• Modèle d'oxydation sélective
• Oxydation
• Joints de grains -- Oxydation
• Thermogravimétrie
• Bobines d'induction -- Refroidissement
• Fer -- Alliages
• Aciers alliés
• Acier au carbone
• Silicium
• Manganèse

Titre traduit

Étude de l’oxydation intergranulaire des aciers au carbone fortement alliés à différentes températures de bobinage

Résumé

Les aciers à haute résistance (AHSS) ont été largement utilisés dans le cadre d’applications automobiles visant à améliorer la sécurité et l’allègement des structures. Afin d'atteindre les objectifs en termes de propriétés mécaniques, ces nouveaux aciers sont composés de teneurs en éléments d’alliages beaucoup plus élevés (par exemple silicium et manganèse) que les aciers usuels. En conséquence, l'AHSS est susceptible de subir une oxydation interne sélective lors du refroidissement des bobines d’acier. L'oxydation sélective interne, en particulier l'oxydation aux joints de grains (GBO), est actuellement l'un des principaux obstacles à la production de ces aciers. Elle réduit le nombre de cycles avant la rupture de fatigue et rend ainsi difficile l’obtention des spécifications du client. Par conséquent, ce travail de thèse était axé sur l'effet de plusieurs paramètres sur le comportement à l’oxydation interne sélective. Parmi eux, l'impact de la décarburation, l'influence de la température de bobinage et de la couche de calamine, l'effet de différentes teneurs en silicium et / ou en manganèse et leur comportement en diffusion. De plus, l'impact de la désorientation des joints de grains sur l'oxydation interne a également été étudié. Des alliages modèles à base de fer binaires / ternaires ainsi que des aciers industriels ont été étudiés via un large ensemble de techniques expérimentales. Ces analyses ont mis en évidence une décarburation stable pour tous les échantillons étudiés qui n'a pas d'impact sur l'oxydation interne sélective pour une longue exposition aux conditions isothermes. Les profondeurs d’oxydation aux joints de grain ont été examinées selon les différentes configurations de tests et se sont révélées sensibles aux teneurs en silicium ou en manganèse. Pour certaines d'entre elles, différents comportements de diffusion du silicium ont été identifiés vis-à-vis de l'oxydation des joints de grains, en fonction des températures. Considérant quelques hypothèses restrictives, l'application de la théorie de l'oxydation interne sélective de Wagner a permis de déterminer le coefficient de diffusion de l'oxygène aux joints de grain. Pour surmonter certaines limites du modèle de Wagner, un modèle d'oxydation sélective a été appliqué pour comprendre l'effet de différents paramètres sur la pénétration de l'oxygène à l'intérieur du métal et principalement sur la profondeur des joints de grain affectée par l'oxydation sélective. Les connaissances acquises à partir de ce travail de thèse aideront à comprendre et à limiter l'oxydation sélective interne (principalement l’oxydation aux joints de grain) dans les aciers avec des compositions complexes en éléments d’alliage. En outre, les résultats peuvent être utilisés pour évaluer les paramètres d’un modèle d'oxydation sélective

mots clés

• Grain boundary oxidation
• Selective internal oxidation
• Thermogravimetric analysis
• Cooling of coils
• Grain boundary misorientation
• Iron-based model alloys
• Selective oxidation model
• Carbon steel
• Silicon
• Manganese

Résumé

Advanced high-strength steels (AHSS) have been widely used in automotive industry to improve safety and fuel economy. In order to reach the mechanical properties targets, these new steels are composed by much higher alloy contents (e.g. silicon and manganese) than usual steels. As consequence, the AHSS may suffer of selective internal oxidation during the cooling of hot coil. The selective internal oxidation, especially the grain boundary oxidation (GBO), is currently one of the main obstacles to the production of these steels. It reduces the number of cycles before fatigue failure and thus, makes it difficult to reach the specifications of the customer. Therefore, this PhD work was focused on the effect of several parameters on selective internal oxidation behavior. Among them, the impact of decarburization, the influence of coiling temperature and the mill scale, the effect of different silicon and/or manganese contents and their diffusion behavior. Moreover, the impact of grain boundary misorientation on grain boundary oxidation was also investigated. Either binary/ternary iron-based model alloys as well as industrial steels were investigated by a large set of experimental techniques. This analysis showed a stable decarburization for all investigated samples that does not impact the selective internal oxidation for long exposure time in isothermal conditions. The GBO depths were examined according to the different test configurations and were found dependent for some cases on silicon or manganese content. For some of them, different silicon diffusion behaviors were identified with regards to grain boundary oxidation depending on temperatures. Considering some restrictive hypotheses, the application of Wagner’s theory of selective internal oxidation allowed determining the grain boundary diffusion coefficient of oxygen. To overcome some limitations of Wagner’s model, a model of selective oxidation has been applied to understand the effect of different parameters on the penetration of oxygen inside the metal and principally on the grain boundary depth affected by selective oxidation. The knowledge acquired from this PhD work will help to understand and limit the selective internal oxidation (mainly GBO) in new steels with complex alloy compositions. Furthermore, the results may be used to assess a model of selective oxidation.