Influence d’une distribution bimodale de tailles de grains sur les mécanismes de déformation d’un acier austénitique inoxydable

Impact of the grain-size bimodality on the strain mechanisms of an austenitic stainless steel

• Auteur / Autrice : Mathieu Calvat
• Direction : Clément Keller, Fabrice Barbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Habraken
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Keller, Fabrice Barbe, Laurent Delannay, Matthieu Mazière, Jia Li, Juan Cornide Arce
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Delannay, Matthieu Mazière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cristalline (solides)

Cristaux -- Propriétés plastiques

Frittage (métallurgie)

Spark plasma sintering (métallurgie)

Broyeurs

Fragmentation

Métallurgie des poudres

Acier inoxydable austénitique

Mots clés libres

Grains ultrafins

Distribution bimodale

Broyage

Frittage SPS

Acier

316L

Modélisation à champs complets

Plasticité cristalline

Ultrafine grains

Bimodal grain size distribution

Powder metallurgy

Ball milling

SPS sintering

Steel

316L

Full-field modelling

Crystalline plasticity

Résumé

Cette étude porte sur le comportement mécanique d’un acier austénitique inoxydable 316L à distribution bimodale de tailles de grains. Une première partie, autosuffisante, traite de l’amélioration du procédé d’élaboration et une seconde, plus conséquente, s’intéresse à la compréhension des mécanismes de déformation de ces alliages par une approche numérique. Pour cette étude, les échantillons d’analyse sont élaborés par métallurgie des poudres. Un chapitre est dédié à la description des différentes stratégies suivies pour limiter l’oxydation du matériau au cours de son élaboration. Parmi ces voies d’amélioration on peut citer : l’étape de broyage, le choix des poudres, la passivation et la boîte à gants. L’ajout d’une étape supplémentaire d’agglomération des poudres est également considéré pour améliorer le contraste de tailles de grains entre grains ultrafins et grains de tailles conventionnelles. La partie numérique porte sur la compréhension des mécanismes par l’analyse des comportements locaux, leur intensité comme leur répartition spatiale et ce de manière quantitative. Pour cela, la modélisation du comportement des microstructures bimodales repose sur une modélisation à champs complets et l’utilisation du modèle de plasticité cristalline de Méric-Cailletaud modifié pour prendre en compte un effet de taille de grains. Différentes microstructures ont été étudiées pour comprendre l’influence des divers paramètres microstructuraux associés aux microstructures bimodales. Par la suite, ces microstructures ont été sollicitées en cisaillement et en traction biaxiale pour décrire l’influence du chargement sur les comportements locaux.

This work focuses on the mechanical behavior of austenitic stainless steels with a bimodal grain size distribution. A first part, self-sufficient, is dedicated to the improvement of the elaboration process and a second part, more consequent, proposed an in-depth numerical analysis of the deformation mechanisms governing the constitutive behaviour of these alloys. In this study, the samples are elaborated by powder metallurgy and SPS. One section describes the different strategies adopted to limit the oxidation of the material during elaboration. Among these ways of improvement, we can mention : the ball milling step, the choice of powders, the passivation and the glove box. The addition of an additional powder agglomeration step is also considered to improve the contrast of grain sizes between ultrafine grains and grains of conventional size. The addition of an agglomeration step is also considered to improve the grain size contrast between ultrafine grains and grains of conventional size. The numerical section aims at understanding the mechanisms by analysing the local behaviors, their intensity as well as their spatial distribution in a quantitative way. For this, the constitutive modelling of bimodal microstructures is based on a full field modelling and the use of a modified Méric-Cailletaud crystal plasticity model to take into account a grain size effect. Different microstructures have been studied to understand the influence of various microstructural parameters associated with bimodal microstructures. Subsequently, these microstructures were loaded in shear and in biaxial tension to describe the influence of the loading on the local behavior.