Caractérisation in situ et modélisation de la stabilité thermomécanique de l'austénite résiduelle dans les aciers TRIP moyen manganèse

In situ characterization and modelling of retained austenite thermomechanical stability in Medium Manganese Duplex TRIP-aided steels

• Auteur / Autrice : Mathias Lamari
• Direction : Sébastien Allain, Guillaume Geandier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 12/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Retraint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Allain, Guillaume Geandier, Patricia Verleysen, Matthieu Mazière, Roxane Arruffat-Massion, Mingxin Huang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Verleysen, Matthieu Mazière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Austénite

Modèles mathématiques

Microstructure (physique)

Essais dynamiques

Écrouissage

Martensite

Propriétés thermomécaniques

Acier au manganèse

Mots clés libres

In situ

Synchrotron

Contraintes internes

Medium manganèse

Austénite

Effet TRIP

Austenite

Medium manganese

Synchrotron

TRIP effect

In situ

Internal stress

Résumé

Les aciers moyen manganèse appartiennent à la famille des aciers à très haute résistance mécanique (THR) de 3ème génération. Leurs propriétés exceptionnelles sont dues à leurs microstructures duplex particulières, qui contiennent une matrice ''ferritique'' de taille micrométrique et une quantité importante d'austénite résiduelle. Cette nouvelle génération d'aciers est considérée comme l'une des meilleures possibilités par les constructeurs automobiles pour continuer à améliorer la sécurité des véhicules légers tout en réduisant leur consommation d'énergie et donc leur empreinte environnementale. La bonne formabilité et la résistance élevée de ces aciers sont expliquées par la transformation martensitique induite par la déformation (SIMT) de l'austénite résiduelle pendant un chargement mécanique. La transformation progressive de l'austénite ductile en martensite dure provoque une augmentation rapide de l’écrouissage macroscopique de l'acier, mécanisme connu sous le nom d'effet de plasticité induite par la transformation (TRIP). La compréhension et la modélisation de la stabilité de l'austénite résiduelle et de la réponse mécanique associée de ces aciers sont donc d'un grand intérêt à la fois scientifique et industriel. Huit microstructures différentes ont été conçues sur la base de calculs thermodynamiques afin d'évaluer l'effet respectif de la morphologie, de la composition et de la taille des grains sur la stabilité de l'austénite. La formation des microstructures duplex lors du recuit intercritique a été caractérisée in situ par des expériences de diffractions des rayons X haute énergie (DRXHE) sur la ligne de lumière synchrotron. En plus de mesurer les cinétiques d'austénitisation en utilisant la méthode d’affinements Rietveld, ces expériences révèlent les mécanismes de précipitation/dissolution des carbures lors du chauffage et les grandes contraintes hydrostatiques résiduelles à l'échelle des phases obtenues après le refroidissement final. L'origine de ces contraintes hydrostatiques a été expliquée et quantifiée à travers un modèle. Un travail exhaustif de microscopie électronique à balayage (SEM) et de microsonde de Castaing a également été effectué pour mesurer les tailles et les compositions chimiques des différentes phases de la microstructure. Le comportement mécanique en traction des aciers étudiés a été mesuré en combinaison avec des expériences HEXRD et des mesures de corrélation d'images numériques (DIC). Ces expériences in situ uniques permettent de mesurer simultanément les cinétiques SIMT, la répartition des contraintes en 3D entre les phases (à savoir la ferrite, l'austénite et la martensite) en utilisant les méthodes des sin²ψ et les déformations locales le long des éprouvettes. Ceux-ci servent en particulier à caractériser les bandes de Lüders et de Portevin-Le Chatelier (PLC) qui affectent les aciers moyen Mn étudiés. Toutes ces données expérimentales ont servi à développer un modèle micromécanique à champ moyen innovant pour prédire le comportement en traction des aciers moyen Mn avec des microstructures austénite-ferrite-martensite. Il repose sur la description des comportements locaux de chaque phase et de la SIMT, tous deux étalonnés sur nos expériences HEXRD. Les écrouissages de l'austénite et de la ferrite sont modélisés grâce à un modèle sensible à la taille basées sur les densités de dislocations. Le comportement de la martensite fraîche et induite par la déformation est considéré, au contraire, comme une transition élastique/plastique étendue. Les cinétiques SIMT sont basées sur une évaluation thermodynamique de la stabilité de l'austénite résiduelle inspirée par le travail pionnier d'Olson et Cohen. Le modèle montre une excellente concordance avec les observations expérimentales.

Medium manganese steels belong to the so-called 3rd generation of Advanced High Strength Steel (AHSS). Their ground-breaking properties are due to their particular duplex microstructures, which contain a micrometric “ferritic” matrix and a large amount of retained austenite. This new generation of steels is seen as one of the best possibilities for carmakers to continue improving the safety of light-duty vehicles and reduce their energy consumptions² and thus their environmental footprints. The good formability and the high resistance of those steels are explained by the strain-induced martensitic transformation (SIMT) of residual austenite during a mechanical loading. The gradual transformation of ductile austenite into high strength martensite causes a rapid increase in the macroscopic work-hardening of the steel, mechanism known as Transformation Induced Plasticity effect (TRIP). Understanding and modelling the stability of retained austenite and the related mechanical response of these steels are thus of great interest both from a scientific and industrial point of view.For this purpose, eight different microstructures have been designed based on thermodynamical calculations in order to evaluate the respective effect of the morphology, the composition and the grains size on austenite stability. The formation of the duplex microstructures during intercritical annealing have been characterized in situ by high-energy X-ray diffractions (HEXRD) experiments on synchrotron beamline. In addition to measuring austenitization kinetics using Rietveld refinements, these experiments reveal in an original way the mechanisms of primary precipitation/dissolution of carbides during heating and the large residual hydrostatic stresses at the scale of the phases obtained after final cooling. The origin of these latter has been explained and quantified through a model. An extensive scanning electron microscopy (SEM) and Castaing microprobe work was also conducted to measure the sizes and chemical compositions of the different microstructure components.The tensile mechanical behaviour of the studied steels has been measured in combination with HEXRD experiments and Digital Image Correlation (DIC) measurements. These unique in situ experiments permit to measure simultaneously the SIMT kinetics, the 3D stress partitioning between phases (namely ferrite, austenite and martensite) using sin²ψ methods and the local strains all along the tensile specimens. These latter serve in particular to characterize Lüders and Portevin-Le Chatelier (PLC) bands which affect the studied medium Mn steels.All those experimental inputs have served to develop an innovative mean field micromechanical framework to predict the tensile behaviour of medium Mn steels with austenite-ferrite-martensite microstructures. It relies on the description of the local behaviours of each constituting phase and of the SIMT of retained austenite, both calibrated on our HEXRD experiments. The work-hardening of austenite and ferrite are modelled thanks to a size-sensitive model based on dislocation densities. The behaviour of fresh and strain induced martensite is considered on the contrary as an extended elastic/plastic transition. The SIMT kinetics is based on a thermodynamical assessment of the stability of retained austenite inspired by Olson and Cohen pioneering work. The model is thus finally sensitive to the size of the microstructure components, to their local composition and to their respective stability and it shows an excellent agreement with the experimental observations.