Etude à l'échelle nanométrique des interfaces de transformations austénite/ferrite dans Fe-Mn-C à différentes températures intercritiques

Nanoscale investigation of austenite/ferrite transformation interfaces in Fe-Mn-C at different intercritical temperatures

• Auteur / Autrice : Olha Nakonechna
• Direction : Héléna Zapolsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• 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 : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Allain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Gouné, Nicolas Charbonnier, Lionel Germain, Frédéric Danoix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cazottes, Joakim Odqvist

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Quasi-particules

Acier austénitique

Sondes atomiques tomographiques

Ségrégation (métallurgie)

Transitions de phases

Ferrites (matériaux magnétiques)

Austénite

Mots clés libres

Transformation de l'austénite en ferrite

Interfaces de transformation de phases

Ségrégation interfaciale

Sonde atomique tomographique

Relations d'orientation (ORs)

Acier biphasé (DP)

Simulation atomistique

Austenite to ferrite transformation

Transformation interfaces

Interfacial segregation

Atom probe tomography (APT)

Orientation relationships (ORs)

Dual-phase (DP) steel

Atomistic modelling

Résumé

La transformation de phase austénite (γ)-ferrite (α) fait partie intégrante du procédé de fabrication de la plupart des aciers modernes, tels que la classe des aciers avancés à haute résistance (AHSS). Par conséquent, elle joue un rôle essentiel dans l'adaptation de la microstructure finale de l'acier et donc de ses propriétés mécaniques. De nombreux modèles différents ont été développés pour prédire la cinétique de la transformation de l’austénite en ferrite et adapter la fraction finale de ferrite formée. Deux modèles basés sur la thermodynamique, à savoir, l'équilibre local (avec partitionnement - LEP et sans partitionnement des éléments d'alliage - LENP) et métastable, sont largement utilisés actuellement. Cependant, on s'est rendu compte depuis longtemps que l'interaction entre les éléments d'alliage et l'interface de transformation mobile peut modifier considérablement la cinétique de croissance de la ferrite à travers le phénomène connu sous le nom de “trainage” (SD). Cette interaction, qui n'est pas considérée dans les modèles précédents, conduit à la ségrégation du soluté à l'interface qui peut retarder le mouvement de l'interface de transformation austénite/ferrite. La prédiction de la redistribution des éléments solutés entre la ferrite et l'austénite et à l'interface est différente selon les différentes approches. Par conséquent, le but de cette étude était d'étudier les interfaces de transformation γ/α à l'échelle nanométrique et de quantifier l'enrichissement local en soluté qui peut aider à identifier le mode de croissance de la ferrite.Dans ce travail, la ségrégation interfaciale dans Fe-C-Mn modèle est étudiée expérimentalement par Sonde Atomique Tomographique (SAT), qui est une technique bien adaptée pour mesurer quantitativement le profil de concentration de soluté à travers les interfaces à l’échelle quasi-atomique. Les techniques de Diffraction des Electrons RétroDiffusés (EBSD), de Faisceau d'Ions Focalisé (FIB) et de Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) ont été utilisées pour la preparation ciblée d'échantillons pour l'étude APT. Les données EBSD ont été utilisées pour déterminer les Relations d'Orientation (ORs) entre la ferrite formée et l'austénite mère, car on s'attend à ce que les ORs puissent affecter la mobilité de l'interface et donc la ségrégation du soluté à l'interface. Un grand nombre d'interfaces γ/α ont été analysées avec succès, et les profils de composition de Mn obtenus à travers les interfaces ont été discutés et comparés à la prédiction des modèles existants pour la transformation austénite-ferrite dans l'acier.Parallèlement, une modélisation atomistique utilisant la nouvelle méthode des quasi-particules (fonction de densité atomique - ADF) a été appliquée pour étudier la migration de l'interface de transformation γ/α à l'échelle atomique dans le fer pur. Différentes relations d'orientation (ORs) entre les phases d'austénite et de ferrite ont été considérées. L'effet des ORs sur la structure et la mobilité des interfaces α/γ est discuté.

The austenite (γ)-to-ferrite (α) phase transformation is involved in the production line of most modern steel, such as the class of advanced high-strength steels (AHSS). Therefore, it plays a critical role in tailoring the final steel microstructure and thus its mechanical properties. Many different models have been developed to predict the kinetics of austenite-to-ferrite phase transformation and tailor the final fraction of formed ferrite. Two thermodynamic based models, namely, Local Equilibrium (with partitioning – LEP and without partitioning of alloying elements – LENP) and ParaEquilibrium, are widely used currently. However, it has long been realised that the interaction between the alloying elements and the migrating transformation interface can dramatically modify the kinetics of ferrite growth through the phenomenon known as Solute Drag (SD). This interaction, which is not considered in the previous models, leads to the solute segregation at the interface, that may retard the motion of the austenite/ferrite transformation interface. Prediction of solute elements redistribution between ferrite and austenite and at the interface are different with the different approaches. Therefore, the aim of this study was to investigate the γ/α transformation interfaces at the nanoscale and quantify the local solute enrichment that can help identify the operative mode of ferrite growth.In this work, interfacial segregation in a Fe-C-Mn model alloy is experimentally investigated by Atom Probe Tomography (APT), which is a well-suited technique for quantitatively measuring the solute concentration profile across interfaces at the near-atomic scale. Electron Backscatter Diffraction (EBSD), Focused Ion Beam (FIB), Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) techniques were used for the site-specific specimen preparation for APT investigation. The EBSD data were used to determine the orientation relationships (ORs) between the formed ferrite and prior austenite, as it is expected that ORs may affect the interface mobility and thus solute segregation at the interface. A large number of γ/α interfaces were successfully analysed, and the Mn composition profiles through interfaces were discussed and compared to the predictions of existing models for austenite-to-ferrite transformation in steel.Meanwhile, atomistic modeling using the new Quasiparticle approach (Atomic Density Function theory) has been applied to study the γ/α transformation interface migration at the atomic scale in pure iron. Different orientation relationships (OR) between the austenite and ferrite phases have been considered. The effect of the ORs on the structure and mobility of α/γ interfaces is discussed.