MECANISMES ET MODELISATION DES CINETIQUES DE LA TRANSFORMATION BAINITIQUE DANS LES ACIERS PDF Download
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AVEC LES PROGRES DE LA MODELISATION INFORMATIQUE, LES SIDERURGISTES ONT COMMENCE A DEVELOPPER DES MODELES MATHEMATIQUES DONT L'OBJECTIF EST DE PREDIRE L'EVOLUTION MICROSTRUCTURALE ET LES PROPRIETES MECANIQUES FINALES DES ACIERS EN FONCTION DU TRAITEMENT THERMOMECANIQUE. LE TRAVAIL DE CETTE THESE S'INSCRIT DANS CET EFFORT EN AYANT POUR OBJET L'ETUDE DES CINETIQUES DE LA TRANSFORMATION BAINITIQUE QUI RESTE A CE JOUR L'UNE DES PLUS MAL COMPRISES DES NOMBREUSES TRANSFORMATIONS MICROSTRUCTURALES DANS LES ACIERS. L'APPROCHE SUIVIE EST AVANT TOUT EXPERIMENTALE ET LAISSE UNE LARGE PLACE A LA TECHNIQUE DE THERMODILATOMETRIE COUPLEE A DES ANALYSES MICROSTRUCTURALES A DIFFERENTES ECHELLES. NOTRE ETUDE S'APPUIE PRINCIPALEMENT SUR TROIS NUANCES D'ACIERS A 0,5%C DONT UNE NUANCE AU SILICIUM QUI PERMET D'OBTENIR UNE BAINITE SANS CEMENTITE. L'ETUDE DE L'ETAPE DE CROISSANCE MONTRE QUE, QUEL QUE SOIT LE CARACTERE DIFFUSIF OU DISPLACIF DE LA TRANSFORMATION AUSTENITE-FERRITE, C'EST LA DIFFUSION DU CARBONE DANS L'AUSTENITE QUI EST LE FACTEUR LIMITANT. LE MODELE PROPOSE PERMET DECRIRE CONVENABLEMENT L'EFFET DE LA TEMPERATURE ET DE LA TENEUR EN CARBONE DE L'ALLIAGE SUR LES CINETIQUES. NOUS MONTRONS QUE LE SILICIUM RALENTIT LA CROISSANCE EN INHIBANT LA PRECIPITATION DE CEMENTITE QUI ACCOMPAGNE GENERALEMENT LA TRANSFORMATION. L'EFFET PROPRE DU NICKEL EST MIS EN EVIDENCE ET EST DISCUTE SUR LA BASE DES MODELES DE SOLUTE-DRAG QUE NOUS AVONS ADAPTE AUX TRANSFORMATIONS ALLOTROPIQUES. LES VITESSES DE GERMINATION SONT DEDUITES POUR L'ACIER INDUSTRIEL XC50 DES CINETIQUES GLOBALES ET DU MODELE DE CROISSANCE. IL APPARAIT QUE C'EST LA DIFFUSION DU CARBONE DANS LES JOINTS DE GRAINS AUSTENITIQUES QUI CONTROLE LA DEPENDANCE EN TEMPERATURE DU TAUX DE GERMINATION. A PARTIR DES EQUATIONS OBTENUES POUR LA CROISSANCE ET LA GERMINATION, NOUS PROPOSONS UN MODELE DES CINETIQUES GLOBALES EN CONDITIONS ISOTHERMES ET EN REFROIDISSEMENT CONTINU, AINSI QU'UN CRITERE DE DECLENCHEMENT DE LA TRANSFORMATION.
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AVEC LES PROGRES DE LA MODELISATION INFORMATIQUE, LES SIDERURGISTES ONT COMMENCE A DEVELOPPER DES MODELES MATHEMATIQUES DONT L'OBJECTIF EST DE PREDIRE L'EVOLUTION MICROSTRUCTURALE ET LES PROPRIETES MECANIQUES FINALES DES ACIERS EN FONCTION DU TRAITEMENT THERMOMECANIQUE. LE TRAVAIL DE CETTE THESE S'INSCRIT DANS CET EFFORT EN AYANT POUR OBJET L'ETUDE DES CINETIQUES DE LA TRANSFORMATION BAINITIQUE QUI RESTE A CE JOUR L'UNE DES PLUS MAL COMPRISES DES NOMBREUSES TRANSFORMATIONS MICROSTRUCTURALES DANS LES ACIERS. L'APPROCHE SUIVIE EST AVANT TOUT EXPERIMENTALE ET LAISSE UNE LARGE PLACE A LA TECHNIQUE DE THERMODILATOMETRIE COUPLEE A DES ANALYSES MICROSTRUCTURALES A DIFFERENTES ECHELLES. NOTRE ETUDE S'APPUIE PRINCIPALEMENT SUR TROIS NUANCES D'ACIERS A 0,5%C DONT UNE NUANCE AU SILICIUM QUI PERMET D'OBTENIR UNE BAINITE SANS CEMENTITE. L'ETUDE DE L'ETAPE DE CROISSANCE MONTRE QUE, QUEL QUE SOIT LE CARACTERE DIFFUSIF OU DISPLACIF DE LA TRANSFORMATION AUSTENITE-FERRITE, C'EST LA DIFFUSION DU CARBONE DANS L'AUSTENITE QUI EST LE FACTEUR LIMITANT. LE MODELE PROPOSE PERMET DECRIRE CONVENABLEMENT L'EFFET DE LA TEMPERATURE ET DE LA TENEUR EN CARBONE DE L'ALLIAGE SUR LES CINETIQUES. NOUS MONTRONS QUE LE SILICIUM RALENTIT LA CROISSANCE EN INHIBANT LA PRECIPITATION DE CEMENTITE QUI ACCOMPAGNE GENERALEMENT LA TRANSFORMATION. L'EFFET PROPRE DU NICKEL EST MIS EN EVIDENCE ET EST DISCUTE SUR LA BASE DES MODELES DE SOLUTE-DRAG QUE NOUS AVONS ADAPTE AUX TRANSFORMATIONS ALLOTROPIQUES. LES VITESSES DE GERMINATION SONT DEDUITES POUR L'ACIER INDUSTRIEL XC50 DES CINETIQUES GLOBALES ET DU MODELE DE CROISSANCE. IL APPARAIT QUE C'EST LA DIFFUSION DU CARBONE DANS LES JOINTS DE GRAINS AUSTENITIQUES QUI CONTROLE LA DEPENDANCE EN TEMPERATURE DU TAUX DE GERMINATION. A PARTIR DES EQUATIONS OBTENUES POUR LA CROISSANCE ET LA GERMINATION, NOUS PROPOSONS UN MODELE DES CINETIQUES GLOBALES EN CONDITIONS ISOTHERMES ET EN REFROIDISSEMENT CONTINU, AINSI QU'UN CRITERE DE DECLENCHEMENT DE LA TRANSFORMATION.
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Une microstructure totalement bainitique est recherchée pour certaines pièces mécaniques en acier. L'optimisation du procédé de traitement thermique en terme de microstructures finales (c'est à dire de propriétés mécaniques), de déformations et de contraintes résiduelles des pièces traitées passe par la modélisation fine des évolutions couplées de température, de microstructures et du comportement thermomécanique de ces pièces. Notre travail a consisté d'abord à étudier expérimentalement les cinétiques de transformation bainitique, le comportement thermomécanique des microstructures formées et l'influence d'une contrainte sur la transformation bainitique (plasticité de transformation et effet de la contrainte sur la cinétique) pour un acier moyennement allié (35MnV7). Nous avons ensuite mis en œuvre différents modèles de prévision des cinétiques de transformation de phases et de comportement thermomécanique à l'échelle d'épouvettes sans gradients (modèles macroscopiques et microscopiques). Les validations expérimentales effectuées à cette échelle ont permis de passer à l'échelle d'éprouvettes massives (gradients élevés) avec la prise en compte de l'ensemble des couplages dans des simulations numériques par éléments finis. L'incidence des transformations de phases sur la genèse des contraintes internes et des déformations au cours du refroidissement a été analysée en détail. La réalisation de traitements thermiques de trempe de cylindres instrumentés a permis de valider les simulations et surtout de montrer que la prise en compte de l'interaction contraintes internes - cinétique de transformation bainitique est nécessaire pour la prévision des distributions de microstructures et duretés finales.
Author: Simon Catteau Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le traitement thermochimique de carbonitruration suivi d'une trempe est couramment utilisé pour améliorer la résistance à l'usure et à la fatigue de pièces mécaniques. Mais les origines de ce gain de propriétés mécaniques ne sont pas bien connues. La thèse a pour objectif de caractériser et modéliser, pour un acier faiblement allié 23MnCrMo5, l'influence de la concentration en carbone et en azote de l'austénite sur les cinétiques de transformations de phases au refroidissement, les microstructures résultantes et les duretés. Dans un premier temps, la démarche expérimentale repose sur l'élaboration d'éprouvettes enrichies de manière homogène par voie thermochimique en carbone, azote et carbone+azote, grâce à un nouveau procédé. Ensuite, les cinétiques de transformation et les évolutions microstructurales sont étudiées par dilatométrie, par diffraction des rayons-X haute énergie in situ (rayonnement synchrotron) et par MET. L'introduction d'azote induit une forte accélération des cinétiques de transformation et des microstructures plus fines notamment dans le domaine haute température (500_C - 700_C), que nous attribuons à la germination de la ferrite sur des nitrures CrN qui précipitent dans l'austénite pendant l'enrichissement. Les duretés sont par ailleurs beaucoup plus élevées que dans des échantillons enrichis en carbone. La DRX in situ a aussi permis d'identifier l'évolution des différentes phases (austénite, ferrite, cémentite, CrN) et leur chronologie pendant la transformation bainitique. Enfin, un modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases est construit pour simuler les profils de microstructures et de duretés dans des couches enrichies en carbone et/ou azote, conduisant à un relativement bon accord entre simulation et expérience.
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La microstructure des aciers et des fontes est une monographie sur la genèse et l'interprétation de la microstructure des aciers et des alliages à base fer. Ses 400 pages sont illustrées par de nombreuses micrographies d'alliages commerciaux ou d'alliages modèles à toutes les échelles disponibles avec les moyens d'investigation modernes de microscopie électronique, sans oublier la macro/microscopie optique. La première partie du livre est une introduction historique sur l'évolution des structures métallurgiques forgées manuellement depuis la connaissance du fer, en particulier les fameuses structures dites damassées. Le livre expose en deuxième partie les notions fondamentales de façon à fournir toutes les bases de raisonnement nécessaires sur les équilibres de phases et la cinétique des transformations. Concernant les équilibres de phases, de nombreux diagrammes sont inclus dans leur version la plus récente. La lecture des systèmes ternaires est analysée à propos de six systèmes représentatifs des réactions rencontrées dans les aciers, Fe-Cr-C, Fe-Ni-Cr, Fe-Mn-S, Fe-Co-Cu, Fe-Mo-Cr et Fe-C-V. Les structures de solidification sont étudiées à travers tous les cas classiques mais aussi dans d'autres moins banals comme les marquages des réactions péritectique ou métatectique ou des cascades de transformations. Les transformations en phase solide sont illustrées et commentées à l'aide des interprétations récentes, en particulier dans le cas des structures bainitiques. De nombreuses références permettent d'approfondir les aspects non développés. La troisième partie est un guide pour comprendre et discuter sur des bases scientifiques le rôle des éléments d'alliage et celui des divers traitements spécifiques aboutissant à l'optimisation des aciers et des fontes, définir les caractéristiques micrographiques en relation avec les propriétés d'emploi. Les aciers sont classés en familles depuis les aciers très peu alliés jusqu'à des aciers à fortes teneurs en éléments d'alliage résultant d'un ajustement de composition très pointue. Les fontes sont présentées naturellement en fonction de leur microstructure, classées en fontes blanches, grises lamellaires et nodulaires.
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Les aciers inoxydables duplex présentent une combinaison intéressante entre des propriétés mécaniques élevées, une faible conductivité thermique et un coût relativement faible. Ils sont couramment employés dans le domaine du bâtiment comme rond à béton, application qui requière notamment une résistance élevée (Rm > 950 MPa) et une ductilité importante (A% > 15). Cette thèse a pour objectif d'améliorer le compromis résistance / allongement, en développant de nouvelles nuances duplex présentant une transformation martensitique induite par la plasticité (effet TRIP) aux caractéristiques contrôlées. L'optimisation de ce compromis a nécessité en particulier une compréhension détaillée des mécanismes de transformation et de déformation plastique associés à chaque phase : la ferrite (BCC), l'austénite (FCC) et la martensite (BCC).L'influence de la transformation martensitique sur le comportement mécanique est étudiée pour quatre alliages duplex de stabilité variable de la phase austénitique en fonction de leur composition chimique. L'influence d'une microstructure multiphasée sur la cinétique de transformation est déterminée grâce à l'élaboration de trois nuances modèles représentant respectivement une nuance duplex et es deux compositions représentatives de ses constituants austénite et ferrite. L'utilisation de plusieurs techniques de caractérisation à différentes échelles a permis de décrire à la fois les mécanismes de transformation de phase et leur cinétique en fonction de la déformation, donnant ainsi accès à leur influence sur le comportement mécanique. L'étude des champs cinématiques a mis en évidence l'impact de la phase martensitique sur la répartition des déformations dans la microstructure multi-phasée. Finalement l'utilisation d'un modèle mécanique prenant en compte explicitement la transformation martensitique a permis de reproduire le comportement mécanique d'un alliage duplex.
Author: Sophie Lacroix Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 213
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La première partie de ce travail consiste en une étude microstructurale et cinétique détaillée des mécanismes de couplage entre la déformation de l'austénite et sa transformation en ferrite dans un acier Fe-0.16C-1.4Mn. Après déformation par torsion à chaud, des maintiens isothermes à différentes températures de transformation interrompus par trempe sont utilisés pour suivre, par métallographie fine, la transformation ferritique après différentes conditions de déformation. De plus, nous employons un alliage modèle austénitique Ni-30Fe pour étudier par EBSD et MET la structure de déformation de l'austénite à haute température. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle cinétique de la transformation de phase austénite-ferrite basé sur nos résultats expérimentaux. Il intègre l'effet de la déformation par : 1) l'aplatissement des grains austénitiques avec la déformation qui modifie les champs de diffusion du carbone contrôlant la cinétique de croissance des couches de ferrite, 2) la formation de deux types de ferrite, une qui apparaît classiquement aux joints de grains austénitiques et une autre, induite par la déformation, qui germe à l'intérieur des grains d'austénite déformés. Dans le modèle, nous relions la densité et l'activation de ces sites de germination supplémentaires avec les conditions de déformation imposées. Ce modèle est calibré pour décrire nos cinétiques de transformation expérimentales et peut être appliqué sans modification à des conditions de refroidissement continu et une large gamme de compositions chimiques.
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Les aciers bainitiques sans carbure font partie d'une nouvelle génération d’aciers à très haute résistance, présentant des limites d’élasticité élevées et un excellent compromis entre résistance mécanique et ductilité. Leurs propriétés sont liées à la spécificité de leur microstructure qui fait intervenir plusieurs constituants (bainite, austénite et martensite) imbriqués selon une topologie particulière (colonies lamellaires et ilots résiduels). De nombreuses questions restent cependant en suspens quant aux liens existant entre paramètres microstructuraux et propriétés mécaniques. Ce travail de thèse vise ainsi à explorer ces relations dans différents aciers bainitiques sans carbure élaborés par traitement de trempe étagée. Diverses techniques de caractérisation in situ et post mortem ont été mises en oeuvre pour analyser qualitativement et quantitativement les microstructures résultant de la décomposition de l'austénite en conditions isothermes. L'influence de la température de maintien isotherme et de la concentration en carbone sur la microstructure et la microtexture a ainsi été mise en évidence. Un traitement de trempe étagée réalisé sous Ms a également permis d'élaborer une microstructure composite constituée de martensite revenue, de ferrite bainitique et d'austénite résiduelle. Des essais de traction et de cisaillement ont permis d'évaluer les propriétés mécaniques de ces aciers et notamment d'estimer les contributions isotropes et cinématiques de leur écrouissage. Les résultats ont ensuite été analysés à la lumière des informations microstructurales et l'influence de certains constituants a été mise en évidence. Le comportement de la bainite sans carbure élaborée sous Ms a été appréhendé par une approche micromécanique basée sur une loi des mélanges entre la martensite revenue et le composé bainite – austénite résiduelle
Author: Danielle David Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 184
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ANALYSE DES EVOLUTIONS STRUCTURALES AU COURS DU CHAUFFAGE AINSI QU'AU COURS DU REFROIDISSEMENT EN FONCITON DE PARAMETRES TELS QUE LA TEMPERATURE D'AUSTENISATION, LA VITESSE DE CHAUFFAGE ET DE REFROIDISSEMENT. TRACE DE DIFFERENTS DIAGRAMMES DU TYPE T.R.C. POUR DES TEMPERATURES D'AUSTENISATION DE 950, 1050 ET 1150C. ETUDE PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE DES DIFFERENTES STRUCTURES CORRESPONDANTES AUX TROIS GAMMES DE VITESSES. ANALYSE DE LA MICROSTRUCTURE LORS D'UN TRAITEMENT DE REVENU. INFLUENCE DU SILICIUM SUR LES TRANSFORMATIONS DU COURS DU REFROIDISSEMENT CONTINU OU AU COURS DES REVENUS
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Lors de la fabrication d'une pièce industrielle, le traitement thermique est une opération qui nécessite de maîtriser à la fois les microstructures obtenues et les contraintes et déformations résiduelles. La simulation numérique est un outil précieux pour une meilleure optimisation de ces traitements. Dans ce contexte, l'objectif de notre étude a été de contribuer au développement d'un outil de calcul permettant de prévoir les microstructures, les déformations et les contraintes au cours du traitement thermique de pièces en acier pouvant contenir des hétérogénéités de composition chimique en particulier de teneur en carbone. Nous avons d'abord développé le modèle de calcul des cinétiques de transformation de phases des aciers existant au laboratoire pour prendre en compte l'effet de l'enrichissement en carbone de l'austnite lors de sa décomposition partielle en ferrite sur les transformations ultérieures. Des calculs thermiques, métallurgiques et mécaniques couplés ont ensuite permis une analyse détaillée de l'effet de gradients de teneur en carbone à l'échelle macroscopique sur la genèse des microstructures et des contraintes internes au cours du refroidissement. Nous avons en particulier quantifié les effets possibles de macro et mésoségrégations de solidification dans des cylindres très massifs de taille proche de celle d'un lingot. Une validation expérimentale des résultats de simulation numérique a été mise en place pour des éprouvettes cylindriques supposées homogènes en composition chimique (acier 40CrMnMo8) puis pour une éprouvette chimiquement hétérogène spécialement conçue et fabriquée pour notre étude. Au préalable, les caractérisations expérimentales de l'acier ont permis de construire le jeu de données complet nécessaire aux simulations. Les résultats expérimentaux et calculés ont permis de bien mettre en évidence le rôle de l'hétérogénéité chimique. Enfin, une bonne corrélation calcul- expérience a été obtenue pour la déformation au cours du refroidissement d'une éprouvette 3D en forme de croissant.
Author: DAVID.. QUIDORT
Author: DAVID.. QUIDORT
Author: David Quidort
Author: Michae͏̈l Veaux
Author: Simon Catteau
Author: Madeleine Durand-Charre
Author: Audrey Lechartier
Author: Sophie Lacroix
Author: Jean-Christophe Hell
Author: Danielle David
Author: Jean-Charles Louin