Caractérisation et modélisation des transformations de la bainite sans carbure au cours de traitements thermiques isothermes et anisothermes

Characterization and modeling of Carbide-Free Bainite transformations along isothermal and anisothermal heat treatments

• Auteur / Autrice : Cécile Rampelberg
• Direction : Sébastien Allain, Julien Da Costa Teixeira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• 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 : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Allain, Julien Da Costa Teixeira, Francisca Caballero, Mohamed Gouné, Hugo Van Landeghem
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francisca Caballero, Mohamed Gouné

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Rayonnement synchrotron

Analyse EBSD

Microstructure (physique)

Austénite

Aciers alliés

Mots clés libres

Aciers

Bainite

Austénite

Synchrotron

EBSD

Transformation de phase

Steels

Bainite

Austenite

Synchrotron

EBSD

Phase transformation

Résumé

Les bainites sans carbure sont des microstructures multiphasées obtenues par décomposition de l'austénite à basse température (généralement entre 450 °C et 200 °C) dans les aciers alliés. Ces microstructures sont très intéressantes en raison de leurs propriétés mécaniques élevées et de leur bonne ténacité, notamment pour les pièces forgées destinées au marché automobile. Grâce à un choix judicieux de leur composition chimique, elles sont constituées d'une fine matrice ferritique sans carbure, d'austénite résiduelle stabilisée par enrichissement en carbone lors de la transformation et de martensite. L'austénite résiduelle peut se transformer en martensite lors de sollicitations mécaniques ultérieures à température ambiante (strain induced transformation). Une des grandes nouveautés de ce travail a été de comprendre les mécanismes de formation de ces microstructures en conditions de refroidissement continu. Ces microstructures ont été étudiées depuis de nombreuses années, mais leurs mécanismes de formation restent un sujet qui continue de diviser la communauté métallurgique, entre approches « diffusive » et « diffusionless ». Le phénomène de transformation incomplète rencontré dans ce processus est l'un des points de discorde.Dans ce travail, nous avons étudié l'évolution des microstructures au cours de différents traitements thermiques (maintiens isothermes, traitements étagés et traitements de refroidissement continu) par Diffraction des Rayons X à Haute Energie (DRXHE) in situ sur ligne de lumière synchrotron. Ces expériences permettent la mesure simultanée de la cinétique de transformation de phase, des paramètres de maille des différentes phases et la détection d'éventuels processus de précipitation des carbures. Sur cette base, des bilans massiques de carbone très précis entre les phases constituant la microstructure ont été établis pour la première fois, ce qui a permis de conclure que la bainite ferritique est encore plus sursaturée en carbone que prévu. Les expériences par traitements étagés et de refroidissement continu ont également prouvé que la transformation bainitique ne respecte pas la règle d'additivité des transformations purement diffusives et est très sensible aux séquences de transformation. Les microstructures après traitements thermiques ont été systématiquement étudiées post mortem par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Cela a permis d'expliquer les microstructures observées après un refroidissement continu, qui présentent des distributions étendues de taille, de morphologie et de microtexture du fait de leur formation à différentes températures.Un modèle de transformation de phase basé sur l'approche sans diffusion de Van Bohemen (2019) a finalement été développé et calibré sur les données expérimentales disponibles. Ce modèle est non seulement capable de simuler la cinétique de la transformation bainitique le long d'un maintien isotherme et de refroidissements continus, mais aussi les compositions respectives des phases. Les capacités et les limites de la nouvelle approche sont analysées et discutées.

Carbide-Free Bainites are multiphase microstructures obtained from austenite decomposition at low temperatures (typically between 450 °C and 200 °C) in alloyed steels. These microstructures are very attractive owing to their high mechanical properties and good toughness especially for forged parts dedicated to the automotive market. They are made of a fine ferritic matrix without carbide thanks to a judicious chemical composition, retained austenite stabilized by carbon partitioning during the transformation and martensite. The high fraction of retained austenite may transform in martensite during further mechanical solicitations at room temperature (strain induced transformation). These microstructures have been studied since many years, but their formation mechanisms are still a subject that continues to divide the metallurgy community, between diffuse and diffusionless approaches. The incomplete transformation phenomenon encountered in this process is one of the bones of contention. One of the great novelties of this work was to elucidate the mechanisms of formation of these microstructures in continuous cooling conditions.In this work, we have investigated the evolution of microstructures along different thermal treatments (isothermal holdings, multistep and continuous cooling treatments) by in situ High Energy X-Ray Diffraction (HEXRD) on synchrotron beamlines. Such experiments make possible the simultaneous measurement of phase transformation kinetics, of the lattice parameters of the different phases and the detection of possible carbide precipitation processes. On this basis, very precise carbon mass balances between the constituting phases have been established for the first time leading to the conclusions that the ferritic bainite is even more supersaturated in carbon that expected. The multistep and continuous cooling experiments have also proved that the bainitic transformation doesn’t respect the additivity rule of purely diffusive transformations and is highly sensitive to the transformation sequences. The microstructures after thermal treatments have been systematically studied post mortem by Scanning Electron microscopy (SEM) coupled with Electron Back Scattered Diffraction (EBSD). It has served to explain the observed microstructures after continuous cooling which show large distributions of size, morphology and microtexture as they are formed progressively at different temperatures.A phase transformation model based on the diffusionless-type approach of Van Bohemen (2019) was finally developed and calibrated on available experimental data. This model is not only able to simulate bainite kinetics along isothermal holding and continuous cooling but also the respective compositions of the phases. The capabilities and limits of the new approach are analyzed and discussed.