Etude des transformations de phases et des évolutions microstructurales au cours du forgeage d'un acier faiblement allié à haute limite d'élasticité

Phase transformation and microstructure evolution within high-strength low-alloy steels under hot forging conditions

• Auteur / Autrice : Hugo Guichard
• Direction : Sabine Denis, Benoît Appolaire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 29/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Mots clés libres

Transformation de phase

Bainite

Modélisation

Phase transformation

Baintite

Modeling

Résumé

Les aciers faiblement alliés à haute limite d'élasticité (HLE) présentent d'excellentes caractéristiques mécaniques notamment en résilience et en ténacité du fait de leur microstructure bainitique ou martensitique. Ces aciers sont utilisés pour des applications mécaniquement exigeantes à l'instar des constructions navales. Les composants en aciers HLE sont généralement issus du forgeage à chaud d'un lingot suivi d'une trempe. Ces procédés engendrent dans la matière des évolutions microstructurales significatives. Les chemins thermomécaniques complexes nécessaires à la fabrication de ces composants peuvent donc mener à des hétérogénéités de comportement mécanique. Ces dernières doivent pouvoir être quantifiées dans le cadre d'une qualification de ces composants. L'objectif du travail de thèse consiste dans un premier temps à observer les évolutions microstructurales d'un acier HLE dans les conditions thermomécaniques du forgeage à chaud. Dans un second temps, une démarche de modélisation faisant intervenir deux échelles sera mise en place. A l'échelle mésoscopique, une modélisation de type automate cellulaire permettra d'identifier les lois qui pilotent l'évolution de paramètres descripteurs de la microstructure. Un choix judicieux de ces descripteurs pouvant être reliés à la ténacité devra être effectué. Ces lois macroscopiques seront ensuite utilisées dans un code de calcul par éléments-finis afin de prédire la microstructure à l'issue du forgeage en tout point. Une confrontation de la modélisation développée avec des cas de réception sera finalement effectuée.

High strength low alloy (HSLA) steels exhibit excellent mechanical properties such as high toughness and high resilience. Such properties originate directly from the microstructure which can be either bainitic or martensitic. HSLA steels are usually found in demanding environments, e.g. in the naval industry. Components made of HSLA steels are generally obtained through hot forging followed by quenching. Significant modifications of the microstructure are induced throughout the forging process. The complex thermomechanical paths that are applied during the fabrication of HSLA steels components can therefore lead to a significant dispersion of mechanical properties. An assessment of such a dispersion is therefore crucial prior to commissioning. First, observations of microstructure evolutions occurring within HSLA steels under thermomecanical paths representative of hot forging are performed. Then, a modelling framework is proposed at both mesoscopic and macroscopic scales. At the mesoscopic scale, a cellular automata is developed to explicitly describe the microstructure evolutions. A scale transition is then performed with the assessment of generic laws of an insightful batch of microstructure descriptors that can correlate with toughness. Such microstructure evolutions should then be integrated within finite element calculations to predict the resulting microstructures of forged components. Finally, numerical simulations are performed and compared to the forging of large specimens.