Influence de la composition chimique sur le comportement mécanique, la formabilité et la trempabilité des aciers C18E et 22MnB5 utilisés dans l'industrie automobile

Influence of chemical composition on mechanical behavior, formability, and hardenability of C18E and 22MnB5 steels used in automotive industry

• Auteur / Autrice : Thomas Chiavazza
• Direction : Eric Hug
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• 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 : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Retraint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Keller, Denis Najjar, Sophie Eve, Lorène Héraud, Margaux Marnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Keller, Denis Najjar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Formabilité

Propriétés mécaniques

Trempabilité

Mots clés libres

Aciers bas carbone

Aciers faiblement alliés

Éléments résiduel

Semi-découpe

Inclusions non-métalliques

Formability

Mechanical properties

Hardenability

Low carbon steels

Low alloy steels

Residual elements

Half-cutting

Non-metallic inclusions

Résumé

L’objectif de cette thèse est de comprendre le comportement d’aciers faiblement alliés face aux procédés de mise en forme par semi-découpe et de traitement thermique pour utilisation dans les mécanismes de sièges automobile. La structure ferrite-globules de cémentite initialement présente dans les aciers permet une mise en forme complexe mais ne donne pas lieu à une tenue mécanique viable pour des fortes sollicitations mécaniques. Le traitement thermique de carbonitruration permet d’obtenir une structure martensitique améliorant cette tenue mécanique pour une utilisation courante. Cependant, pour l’acier C18E usuellement utilisé, une microstructure mixte ferrite, bainite et martensite est observée après traitement thermique, ce qui entraine des variabilités dimensionnelles et mécaniques. Une seconde nuance, le 22MnB5, a été mise en production mais peut provoquer de la fissuration pour des géométries très complexes. Une évolution de cette nuance a été finalement choisie permettant la comparaison avec des aciers ayant des propriétés mécaniques similaires. Cela permettra d’anticiper le comportement des aciers utilisés en fonction des étapes du procédé, et donc d’appréhender les éléments pouvant nuire à la formabilité de l’acier et au traitement thermique.Cette thèse s’est déroulée selon deux axes principaux. Dans un premier temps, la caractérisation avancée des aciers a été réalisée conduisant à un sujet plus académique analysant l’impact de la taille de grain austénitique sur les transformations de phases et les propriétés mécaniques après traitement thermique. Ensuite, la compréhension du procédé industriel de découpage fin a été réalisée avec la création d’un outil instrumenté de semi-découpe permettant de reproduire des étapes simples du procédé de mise en forme. Cet outil a permis de mettre en avant le rôle des inclusions dans la fissuration lors de la mise en forme et également de créer des liens entre les approches expérimentales et la simulation numérique du procédé utilisée industriellement. L’avantage de la nouvelle nuance a ainsi pu être mise en avant et va pouvoir, à l’issue de ce travail, être testée à échelle industrielle.

The objective of this PhD is to understand the behavior of low-alloyed steels under half-cutting forming and heat treatment processes for use in automotive seat mechanisms. The ferrite-cementite globules structure initially present in the steels allows complex forming but is not relevant for high stresses noticed in seat mechanism parts. The carbonitriding heat treatment makes it possible with a martensitic structure that allows this mechanical strength for current use. However, for the steel usually used, C18E, a mixed ferrite, bainite and martensite microstructure is observed after heat treatment. A second grade, 22MnB5, has been put into production but can lead to cracks in very complex geometries. An evolution of this grade was finally chosen to compare steels with similar mechanical properties. The anticipation of the behavior of the steel as a function of the process stages need to be understand, and therefore to figure out the elements that can affect the formability of the steel and its hardenability.This thesis was divided into two ways. Firstly, the advanced characterization of the steels was carried out, which led to an academic subject linking the austenitic grain size with the phase transformations and the resulting mechanical properties. Finally, the understanding of the industrial process was achieved with the creation of an instrumented half-cutting tool allowing the reproduction of simple half-cuts. This tool allowed to highlight of the role of inclusions in cracking during shaping and to create links between the experimental and the industrial simulation. The advantage of the new grade was thus highlighted and, through this work, will be tested on an industrial scale.