Etude et modélisation de l'effet du revenu sur les évolutions des microstructures, du comportement thermomécanique et des contraintes résiduelles de trempe, Study and modelling of the influence of the tempering process on the evolutions of the microstructure, thermomechanical behaviour and quenching residual stress

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Ecole Doctorale Energie Mécanique Matériaux




THESE


Etude et modélisation de l’effet du revenu sur les évolutions
des microstructures, du comportement thermomécanique
et des contraintes résiduelles de trempe


présent à

L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

pour obtenir le titre de


Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : Science et Ingénierie des Matériaux


Par

Yunning WANG


Soutenue le 10 Octobre 2006, devant la Commission d’Examen


JURY

LEVAILLANT Christophe Président
CAILLETAUD Georges Rapporteur
MAUGIS Philippe Rapporteur
DUMONT Christian Examinateur
DENIS Sabine Directrice de thèse
ARCHAMBAUT Pierre Directeur de thèse




REMERCIEMENTS






Je tiens à exprimer ici ma très sincère gratitude à ma directrice de thèse, Madame Sabine
Denis, Professeur à l’Université Henri Poincaré, pour sa disponibilité, ses compétences, ses
conseils avertis, et sa gentillesse ainsi que son amitié.

J’exprime mes sincères remerciements à mon co-directeur de thèse, Monsieur Pierre
Archambault, Directeur de Recherche au CNRS pour ses conseils, ses aides et ses discussions.

Je remercie Monsieur Benoît Appolaire, Maître de Conférence à l'Ecole Européenne en Génie
des Matériaux , pour des discussions bénéfiques et des conseils riches.

Je remercie Monsieur Bernard Dussoubs, Ingénieur de Recherche au LSG2M, pour son aide
au développement et à la réalisation des calculs par la méthode des éléments finis ainsi que
Monsieur Georges Cailletaud, Directeur de Recherche à l'Ecole des Mines de Paris.

J’exprime enfin toute ma reconnaissance à l’ensemble des membres du LSG2M pour leur
amabilité et leur soutien, en particulier à Messieurs Yves Renault, Robert Vernet et David
Bonina, qui m’ont aidé dans la partie expérimentale de ma recherche. Sommaire

Introduction générale …………………………………………………………… i

Chapitre I : Généralités sur les aciers martensitiques et leur revenu………...1
I.1 Introduction……………………………………………………………………………………..2
I.2 Evolutions microstructurales au cours du revenu de la martensite …………………………2
I.2.1 Mécanismes ……………………………………………………………………………………….3
I.2.2 Modélisation……………………………………………………………………………………….5
I.3 Evolution du comportement mécanique lors du revenu…………………………….......……13
I.3.1 Connaissances expérimentales ……………………..……………………………………………13
I.3.2 Modélisation ……………………………………………….……………………………………14
I.4 Evolution des contraintes internes lors des revenus ………………………………………….20
I.4.1 Relaxation des contraintes résiduelles lors du revenu après la trempe martensitique… ……. …20
I.4.2 Modélisation……………………………………………………………………………………...21
I.5 Conclusion…………………………….………………………………………………………25

Chapitre II : Matériau étudié et méthodes expérimentales……………….…..….26
II.1 Introduction …………………………………………………………………. ….…………27
II.2 L’acier 80MnCr5…………………………………………………………………………………27
II.3 Méthode de caractérisation dilatométrique ……………………………………………………28
II.3.1 Le Dilatomètre à Cycle Rapide (DCR)……………………………………………………………28
II.3.2 L’éprouvette dilatométrique et les cycles thermiques ……………………………………………29
II.4 Méthode de caractérisation thermomécanique …………………………………………31
II.4.1 Le DITHEM………………………………………………………………………………… …..31
II.4.2 Les cycles thermomécaniques imposés………………………………………………………… 32
II.5 Observations microstructurales…...………………………………………..…………………..35
II.5.1 Microscopie électronique à transmission………………………………………………………….35
II.5.2 Analyse chimique quantitative par EDS……………………………………….………………….35
II.5.3 Mesure de la taille de précipité……………………………………………………………………36


1 Chapitre III : Modélisation des évolutions des microstructures lors du revenu…37
III.1 Introduction…………………………………………………………………………………….38
III.2 Théorie classique de la germination……………………..……………………………………..38
III.2.1 Aspect thermodynamique………………………………………………………………..38
III.2.1.1 Germination homogène…………………………….…………………………………………….38
III.2.1.2 Germination hétérogène ……………………………………….…………...40
III.2.1.3 Force motrice de la germination …………..………..……………………………...…..42
III.2.2 Aspect cinétique……………..………..…………………………………………….……………47
III.2.3 Estimation des paramètres lors du revenu….………………………………………….………….48
III.3 Croissance/dissolution des précipités dans l’alliage binaire……….………………………….49
III.3.1 Croissance/dissolution d’un précipité sphérique………………………..……………..….………49
III.3.2 Estimation de gradient de concentration aux interfaces……….………………………….….……50
III.3.1.2 Effet Gibbs-Thomson…………………. .……………………………………..……..…52
III.3.1.3 Influence de l’énergie élastique sur les concentrations interfaciales…………………...54
III.3.2.3 Coalescence des particules………..……………………………………………………57
III.4 Croissance/dissolution des précipités dans l’alliage multiconstitué……………………….....58
III.5 Evolution d’une population de précipités……………………………………………….……..60
III.5.1 Bilan de soluté……………………..………………………………………………….…………..60
III.5.2 Bilan de précipités…….…………….………………………………………………….…………61
III.6 Conclusion…………………………………………………………………………………….62

Chapitre IV : Application du modèle d’évolution microstructurale au cours
du revenu……………….………………………………………65
IV.1 Introduction……………………………………………………………..………………………66
IV.2 Alliage Fe-C …………………………………………………………………………….66
IV.2.1 Description de l’équilibre thermodynamique et données d’entrée………………………….66
IV.2.2 Résultats pour le revenu en conditions isothermes ……………………………………...69
IV.2.2.1 Revenu isotherme « instantané »………………………………………….69
IV.2.2.2 Revenu isotherme après étape de chauffage…………………………….……..71
IV.2.3 Comparaison entre résultats calculés et expérimentaux………….……………………...74
IV.2.3.1 Chauffage continu…..……………………………………………..…………………74
IV.2.3.2 Revenu isotherme……………………….………………………..…………………76
IV.2.4 Discussion………………………………………………..…………………………………….…77
IV.2.4.1 Effet du pas de temps …………………………………………..……..………….77
2 IV.2.4.2 Effet du pas de rayon…..…………………..………………..………..………………..78
IV.2.4.3 Effet de l’énergie d’interface du carbure epsilon……………..……….……………..79
IV.2.4.4 Effet de l’énergie de déformation élastique………………….……………………….82
IV.2.4.5 Effet du nombre de sites de germination……………………….……..………….…..84
IV.2.4.6 Effet du coefficient de diffusion……………………………….……………………..86
IV.3 Alliage 80MnCr5……………………………………………………………………..88
IV.3.1 Caractérisation expérimentale……………………………………………………………88
IV.3.1.1 Cinétique de transformation au cours de revenus en chauffage continu…..…88
IV.3.1.2 Evolution de la microstructure pendant le revenu………..……………………90
IV.3.2 Application du modèle ………………………………………………………………………….99
IV.3.2.1 Force motrice pour la germination………………….………………….……………..99
IV.3.2.2 Composition d’équilibre ferrite-précipités…………..……………….….. ………....100
IV.3.3 Données d’entrée……………..………………………….………………………………..102
IV.3.4 Résultats calculés et expérimentaux pour l’alliage 80MnCr5……………………….……..102
IV.3.4.1 Cinétiques des transformations au cours du chauffage………………………..102
IV.3.4.2 Evolutions des microstructures lors de maintiens isothermes………………104
IV.4 Conclusion……………………………………………………………………………111

Chapitre V : Caractérisations et modélisation du comportement thermomécanique
lors du revenu …………………………………….……………….112
V.1 Introduction……………………………………………………………………………………113
V.2 Résultats expérimentaux……………………………………………………………………113
V.2.1 Résultats expérimentaux à température ambiante………….………………….113
V.2.2 Résultats expérimentaux des tractions aux hautes températures ……………………..116
V.2.3 Analyses et discussion…………………………………………………………………………..121
V.2.3.1 Module d’élasticité…………………………………….………….……………………121
V.2.3.2 Corrélation entre la limite d’élasticité et l’évolution de la microstructure……………122
V.2.3.3 Comportement plastique………….…………………………………….…………..…125
V.3 Modélisation du comportement thermomécanique …………………………………130
V.3.1 Loi élasto–visco–plastique additive à écrouissage isotrope………………………………..130
V.3.2 Application à l’acier 80MnCr5……………………………… .……………………..……133
V.3.2.1. Détermination des paramètres via ZeBulon……………………………………….…133
V.3.2.2. Calcul de la contrainte seuil avec prise en compte de l’évolution de la microstructure
lors du r