Thèse soutenue

Lien entre microstructure et transition ductile-fragile des aciers trempés-revenus à haute résistance

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Auteur / Autrice : Frank Tioguem Teagho
Direction : Matthieu MazièreAnne-Françoise Gourgues-Lorenzon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
Date : Soutenance le 08/11/2019
Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
Jury : Président / Présidente : Stéphane Godet
Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Mazière, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Benoît Tanguy, André Galtier
Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Delagnes, Jean-Hubert Schmitt

Résumé

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Cette thèse s’inscrit dans un projet dans lequel Ascometal souhaite améliorer le développement de nuances d’aciers à haute résistance destinées à la fabrication des pièces de forage offshore. Le projet vise notamment la prédiction, au moyen de la microstructure, de la courbe de transition ductile - fragile en résilience. Les objectifs de la thèse sont doubles à savoir : améliorer la compréhension du lien entre microstructure et propriétés à rupture, puis mettre au point un modèle prédictif de la résilience basée sur la microstructure. Nous avons adopté une démarche scientifique en quatre étapes: 1) la construction d’une base de données constituée de six microstructures. Les microstructures ont été caractérisées quantitativement à différentes échelles. 2) La caractérisation du comportement élastoplastique en variant la température d’essai, la vitesse de sollicitation, la direction de prélèvement des échantillons et le revenu. 3) La caractérisation du comportement à rupture au moyen des essais Charpy instrumentés dans une gamme de température allant de -196°C à +60°C. 4) L’établissement des liens quantitatifs entre chacune des microstructures et leurs propriétés à rupture. Dans certains cas, le recours aux outils numériques a été adopté pour accéder aux contraintes locales et les relier aux entités microstructurales. Les résultats ont permis d’aborder les discussions autour des effets : de la vitesse de sollicitation, du revenu, de la température d’essai et la direction de sollicitation sur le comportement élastoplastique des aciers de microstructure martensite et bainite supérieure. Pour les essais à rupture, l’analyse fractographique a permis d’accéder aux mécanismes de rupture dans les domaines de rupture ductile, de transition et de rupture fragile. Les observations de l’endommagement en post-mortem sur coupe polie ont permis de discuter l’effet du revenu sur l’endommagement ductile des aciers trempés-revenus à haute résistance. Au niveau du plateau ductile, un lien quantitatif est proposé entre la distance intercarbures et l’énergie totale à rupture, il permet d’expliquer l’augmentation de l’énergie à rupture. Au niveau du plateau fragile, l’approche locale de la rupture sur des éprouvettes axisymétriques entaillées est mise à contribution pour déterminer les contraintes critiques de clivage à -196°C. Un lien quantitatif a été établi entre la contrainte critique de clivage à -196°C et la taille des carbures. L’effet de la bainite supérieure sur la contrainte critique de clivage est également abordé. Enfin, un modèle global de la résilience basé sur la microstructure est proposé. Il s’appuie sur la distance intercarbures et la température de transition en cristallinité pour prédire la courbe de transition ductile-fragile des aciers à haute résistance de l’étude. Il semble enfin indispensable d’étendre l’approche proposée sur d’autres nuances de même grade afin de disposer d’une base de données plus large, ce qui devrait rendre le modèle global robuste.