Contrôle des propriétés mécaniques de l’acier Ferrium® M54® par la maîtrise de sa microstructure au cours du traitement thermique dans l’optique d’applications aéronautiques

Control of Ferrium® M54® steel mechanical properties by the control of its microstructure during heat treatment to aeronautical applications

• Auteur / Autrice : Aurélien Mondière
• Direction : Denis Delagnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 07/09/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Joël Alexis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Delagnes, Christophe Desrayaud, Alain Hazotte, Muriel Hantcherli, Anne-Laure Rouffié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Desrayaud, Alain Hazotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trains d'atterrissage

Acier -- Traitement thermique

Élasticité

Travail à froid

Carbures

Mots clés libres

Acier à durcissement secondaire UHR

Carbures

Traitement par le froid

Taux d'austéntie

Limite d'élasticité

Secondary hardening UHS steel

Carbides

Cryogenic treatment

Austenite content

Yield strength

Résumé

L’acier Ferrium® M54® présente une composition chimique optimisée, basée sur 40 ans d’évolution et de développement des aciers à durcissement secondaire à précipitation de carbures M2C. Le compromis de propriétés Rm/KIC/KISCC obtenu par la nuance M54® permet d’envisager son utilisation dans les trains d’atterrissage d’avions gros porteurs. Cependant, les premiers essais mécaniques, réalisés par l’utilisateur pour la montée en maturité de la nuance, ont montré une variabilité des propriétés mécaniques suivant le traitement thermique appliqué. Ce travail de thèse s’applique donc à décrire les évolutions microstructurales au cours du traitement thermique de la nuance M54® et les impacts sur les propriétés mécaniques en se concentrant notamment sur le traitement par le froid. Les différentes conditions de mise en solution et de revenu testées ont montré une certaine stabilité de la précipitation au revenu et des propriétés mécaniques qui en découlent. La précipitation a été caractérisée à différentes échelles afin de la comparer avec celle issue des nuances de la même famille. En revanche, selon les conditions de traitement par le froid réalisées, la limite d’élasticité varie de manière significative sans qu’aucun des paramètres liés à la précipitation ne soient modifiés. Le taux d’austénite est en revanche un paramètre déterminant pour la limite d’élasticité et est très sensible aux conditions de traitement par le froid : temps et température entre la trempe à l’huile et le traitement cryogénique et température de traitement cryogénique. Un traitement thermique amélioré a ainsi été proposé pour obtenir un taux d’austénite réduit et constant et limiter ainsi les variations de limite d’élasticité.

Ferrium® M54® steel presents an optimized composition, based on 40 years of research and development on secondary hardening steels. This alloy exhibits an excellent Rm/KIC/KISCC balance that allows considering its use in landing gears applications of wide-body aircrafts in the future. However, initial mechanical tests performed by the end-user have shown variability in mechanical properties depending on the applied heat treatment. The main goal of this work is to describe the microstructural evolutions of the alloy M54® during heat treatment and their impact on the resulting mechanical properties with a specific focus on the effect of the cryogenic treatment.The different austenitizing and tempering conditions investigated have shown a stability of the tempering precipitation and mechanical properties. This precipitation has been characterized at different scales and compared with other grades of the same family. On the other hand, depending on cryogenic treatment conditions, a significant variation of the mechanical properties and in particular of the yield strength is observed without any modification in the precipitation distribution and volume fraction or size. Austenite content is critical for the yield strength and is very sensitive to the cryogenic treatment conditions: time and temperature before cryogenic treatment and temperature of cryogenic treatment. An improved heat treatment to obtain reduced and constant austenite content is proposed.