Étude expérimentale et numérique de l'électro-migration du carbone dans le fer lors de la transformation de phase ferrite - austénite

Experimental and numerical study of C electromigration in iron during ferrite - austenite phase transformation

• Auteur / Autrice : Maxime Monzey
• Direction : Patrice Chantrenne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Anna Fraczkiewicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Chantrenne, Anna Fraczkiewicz, Benoît Appolaire, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Sabine Denis, Yann Le Bouar, Hugo Van Landeghem
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Appolaire, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Austénite

Traitement thermique

Fer

Chauffage électrique

Transitions de phases

Sidérurgie

Mots clés libres

Matériaux

Electromigration

Austénite résiduelle

Ferrite

Transformation de phase

Diffusion du carbone

Chauffage

Sidérurgie

Effet Joule

Traitement thermique

Courant électrique

Materials

Electromigration

Austenite

Ferrite

Phase transformation

Carbon diffusion

Heating

Steel industry

Joule effect

Thermal treatment

Electric Current

Résumé

Le chauffage par effet Joule est largement utilisé en métallurgie lors des différents traitements thermiques et procédés de mise en forme des matériaux. Ces traitements thermiques assistés par le courant électrique étaient, encore récemment, considérés comme équivalents aux méthodes de chauffage conventionnelles. Cependant, l'évolution de la microstructure en présence de courant électrique n'est pas encore bien comprise. L'objectif de cette thèse était de déterminer l'impact d'un courant électrique sur la diffusion du carbone dans le fer et sur la transformation de phase ferrite-austénite. Pour étudier ces phénomènes, la carburation solide d'échantillons de fer de haute pureté (ARMCO) est réalisée lors de traitements thermiques dans le domaine intercritique. Les échantillons sont chauffés grâce à l'effet Joule induit par un courant électrique direct continu ou pulsé. Un modèle de diffusion du carbone qui tient compte à la fois de la transformation de phase et de l'électro-migration du carbone dans le fer a été proposé. L'étude de sensibilité des paramètres du modèle a démontré que la cinétique de transformation de phase dépend principalement du coefficient de diffusion du carbone dans l'austénite. En outre, la charge effective du carbone dans l'austénite peut être ajustée pour modéliser l'électro-migration du carbone. Ainsi, ces deux paramètres ont été déterminés sur la base d'une comparaison entre les données expérimentales et les simulations. La cinétique de transformation de phase s'est avérée plus rapide dans le sens du courant électrique et freinée dans le sens inverse. Une densité de courant supérieure de 30 % a entraîné un coefficient de diffusion supérieur de 50 %. La charge effective se situe entre +12 et +36, selon les conditions expérimentales. Tous ces résultats sont discutés à la lumière des phénomènes physiques rapportés dans la littérature. En particulier, ils remettent en cause les études de la charge effective qui ne prennent pas en compte l'influence du courant sur le coefficient de diffusion. Ce travail de thèse fournit également de nouvelles valeurs pour la charge effective du carbone dans le domaine intercritique.

Joule heating is widely used during the different thermal treatments and material forming processes in metallurgy. Until recently, thermal treatments assisted by electric current were considered equivalent to conventional heating methods. However, the evolution of the microstructure in presence of electric current is still not well understood. The aim of this thesis was to determine the impact of an electric current on the diffusion of carbon in iron and on the ferrite-to-austenite phase transformation. To study these phenomena, solid carburization of high-purity iron samples (ARMCO) is performed during thermal treatments in the intercritical domain. Samples are heated thanks to Joule effect induced by direct continuous or pulsed electric current. A model of carbon diffusion which accounts for both the phase transformation and the electromigration of carbon in iron has been proposed. The sensitivity study on the model parameters showed that the phase transformation kinetics mainly depends on the diffusion coefficient of carbon in austenite. In addition, the effective charge of carbon in austenite can be adjusted to model the electromigration of carbon. Thus, these two parameters were determined based on a comparison between experimental data and simulations. Phase transformation kinetics were found faster in the direction of the electric current and hindered in the opposite. A 30% higher current density resulted in a diffusion coefficient 50% higher. The effective charge was found to be between +12 and +36, depending on the experimental conditions. All these results are discussed in the light of the physical phenomena reported in the literature. In particular, they question the studies of the effective charge that do not consider the influence of current on the diffusion coefficient. This PhD-work also provides new values for the effective charge of carbon in the intercritical domain.