Critère d’amorçage de micro fissures de fatigue dans l’acier martensitique 9Ni

Study of the mechanism of fatigue crack initiation in 9Ni martensitic steel

• Auteur / Autrice : Mahira Adna Cota Araújo
• Direction : Jean-Bernard Vogt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Jury : Président / Présidente : Marion Risbet-Voitot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémie Bouquerel, Nathalie Limodin, Jean-Marc Olive
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Gey, Kim Verbeken

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Acier -- Fatigue

Microscopie électronique à balayage

Analyse EBSD

Microstructure (physique)

Austénite

Fissuration

Structure

Acier martensitique

Mots clés libres

Microfissuration

Bandes persistantes

Austénite de reversion

Austénite retenu

Martensite

Fatigue

Micro crack

Persistent slip marks

Austenite

SEM-EBSD

Résumé

La structure hiérarchisée très complexe de l'acier martensitique 9Ni a été utilisée dans cette étude afin de proposer un mécanisme d'amorçage des fissures de fatigue. Le travail de thèse a pris en considération l'impact de la nature de l'interface et de la morphologie de la matrice de l’acier. Ces paramètres métallurgiques ont été gérés avec succès par les traitements thermiques contrôlés. Ainsi, la teneur en austénite aussi bien sous forme retenue que sous forme de réversion et le passage d’une matrice martensitique à une matrice bainito-martensitique sont apparus pertinents pour répondre à l'objectif premier de la thèse. De plus, le but de ce travail était également de proposer des traitements thermiques conduisant aux meilleures performances en fatigue. Des essais de fatigue oligocyclique (LCF) ont été réalisés à température ambiante sous plusieurs variations de déformations (Δεt) de 0,8% à 1,6%. La microstructure et les structures de dislocations ont été soigneusement analysées par microscopies de pointe (MEB, c-ECCI, EBSD, MET, HRMET et MFM). L’évolution des contraintes au cours du cyclage était dépendante de la microstructure. L'acier martensitique trempé avec 8% d'austénite retenue était plus sensible à l'adoucissement cyclique et moins résistant à la fatigue que l'acier bainito-martensitique revenu avec 10% d'austénite de réversion. Ce dernier avait une surface plus déformée couverte de micro-fissures pour tous les niveaux de déformation. Les investigations ont permis de conclure que, dans tous les cas, les films d'austénite jouent un rôle important sur l'accommodation de la déformation plastique, agissant comme un lubrifiant favorisant l’écoulement de la matière le long des très fines lattes martensitiques. Cela a conduit au développement d'extrusions au niveau des interfaces et une germination d'intrusions (embryon de fissure) dans les lattes, ce qui diffère des observations préalablement menées avec un acier martensitique 12Cr sans aucune modification d'interface.

The very complex hierarchical structure of the 9Ni martensitic steel was used in this study as a tentative of proposing a mechanism of fatigue crack initiation. The PhD work took into consideration the impact of the interface nature and the matrix morphology. These metallurgical parameters have been successfully managed with controlled heat treatments. Thus, the austenite content as well in the retained form as in the reversed one and the change from martensitic to bainitic matrix were considered as relevant to answer the primary objective of the thesis. In addition, the goal of this work was also to suggest heat treatments leading to the best fatigue performance.Low cycle fatigue (LCF) tests were carried out at room temperature under several constant strain ranges from 0.8% to 1.6%. The microstructure and dislocations structures were deeply characterized by advanced microscopy techniques (SEM, c-ECCI, EBSD, TEM, HRTEM, and MFM).The stress response to strain cycling was microstructural dependent. The quenched martensitic steel with 8% of retained austenite was more prone to cyclic softening and presented less fatigue resistance than the tempered bainite-martensitic one with 10% of reversed austenite. The latter had a more deformed surface fulfilled by small cracks for all strain levels.The investigations allowed concluding that in all cases, the austenite films play an important role in the accommodation of plastic deformation, acting as a lubricant and promoting matter displacement along the thin martensitic laths. This resulted in extrusion development at interface boundaries and intrusion nucleation in the laths, differently than what was observed before with a 12Cr martensitic steel without any interface modification.