Effets des longueurs internes microstructurales sur le comportement mécanique des aciers ferritiques : caractérisations expérimentales et modélisation micromécanique
Auteur / Autrice : | Layal Chamma |
Direction : | Stéphane Berbenni, Thiebaud Richeton, Jean-Marc Pipard |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Mécanique des matériaux |
Date : | Soutenance le 15/12/2022 |
Etablissement(s) : | Université de Lorraine |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....) |
Jury : | Président / Présidente : Véronique Aubin |
Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Berbenni, Thiebaud Richeton, Jean-Marc Pipard, Laurent Delannay, Marc Fivel, Maurine Montagnat Rentier, Artem Arlazarov | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Delannay, Marc Fivel |
Résumé
Les longueurs internes microstructurales jouent un rôle important sur le comportement mécanique local et macroscopique des aciers. Ces longueurs internes correspondent notamment à la taille des grains et à une couche de densités de "dislocations géométriquement nécessaires" (GND) accumulées en raison des incompatibilités de réseau cristallin crées autour des joints de grains (ou des joints de phase), d'une épaisseur notée λ, produite pendant la déformation plastique. Dans cette étude, un acier ferritique polycristallin monophasé à faible teneur en carbone (Al-k) produit par ArcelorMittal a été étudié, en considérant des échantillons non déformés et pré-déformés à différents niveaux de déformation en traction. La densité de GND a été estimée à partir de cartes EBSD bidimensionnelles (2D) en considérant les cinq composantes du tenseur de Nye disponibles et calculées à partir des courbures du réseau. Des essais de nanoindentation instrumentée ont ensuite été réalisés avec une pointe Berkovich et une charge de 1 mN. La densité totale de dislocations a été estimée à l'aide d'un modèle mécanistique basé sur les mesures de nanodureté. Une étude combinée utilisant à la fois l'EBSD-2D et la nanoindentation instrumentée a alors été proposée afin de quantifier l'existence et l'évolution de la longueur interne λ de la zone affectée par les joints de grains. Tout d'abord, une étude locale a été réalisée sur deux paires de grains provenant d'une éprouvette pré-déformée en traction à 18% de déformation plastique. Cette étude a montré une corrélation spatiale claire entre la densité totale de dislocations déduite des mesures de nanodureté et la densité de GND obtenue par EBSD-2D. De forts gradients spatiaux de densités de GND et de densités totales de dislocations ont été observés sur une des paires de grains étudiée. Une couche d'épaisseur λL proche de 2µm a été trouvée par les deux techniques. Cependant, l'étude de l'évolution locale de λL pour un même grain avec la déformation plastique n'a pas été possible par les deux techniques. De plus, l'étude locale souffrait d'un manque de représentation statistique. Par conséquent, afin d'améliorer la description de la longueur interne λ tout au long de la déformation plastique, nous avons proposé une analyse statistique basée sur toutes les données obtenues par EBSD-2D et par nanoindentation pour s'éloigner du choix arbitraire des grains. Ensuite, une analyse statistique des données expérimentales a été réalisée. Le but était de déterminer une longueur interne statistique λS à chaque taux de déformation plastique par les deux méthodes expérimentales. Les résultats obtenus par les deux méthodes ont confirmé l'existence statistique d'un gradient de densités de dislocations aux joints de grains qui nous a permis de déterminer une longueur λS évolutive au cours de la déformation plastique. Par ailleurs, les résultats expérimentaux ont montré que les grains ferritiques dans l'acier Al-k pouvaient être divisés en deux régions mécaniquement différentes. La première région est située à proximité du joint de grains, où un gradient de densité de dislocations a été clairement observé et s'étend en moyenne sur la distance λS. La deuxième région est l'intérieur du grain où aucune variation marquée des densités de dislocations n'a été reportée en moyenne. Les mesures expérimentales ont été utilisées pour alimenter une nouvelle approche à champs moyen intégrant les longueurs internes microstructurales (ACMLI) capable de capter les effets de taille de grains. Cette nouvelle approche intègre directement l'évolution de la longueur interne λS mesurée expérimentalement. En plus de représenter fidèlement le comportement macroscopique, les prédictions des densités de dislocations à plusieurs niveaux de déformation comparée aux mesures expérimentales et une évolution réaliste des champs mécaniques locaux dans chaque phase ont été obtenus.