Genèse de la ferrite aciculaire dans les aciers à moyen carbone microalliés au vanadium. Morphologie fractale en relation avec les propriétés mécaniques, Development of acidular ferrite microstructures on medium carbon vanadium microalloyed stells. Fractal morphology in relationship with the mechanical properties

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Thèse
pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’INPL
Ecole Doctorale EMMA
Discipline : Science et Ingénierie des Matériaux
présentée par

Randolfo VILLEGAS


Genèse de la ferrite aciculaire dans les aciers à moyen carbone
microalliés au vanadium.
Morphologie fractale en relation avec les propriétés mécaniques.

Soutenue publiquement le 15 novembre 2007 devant le jury :

Jean-Pierre CHEVALIER Président
Patrick CORDIER Rapporteur
Maxence BIGERELLE
Alain HAZOTTE Examinateur
Mario CONFENTE Examinateur
Abdelkrim REDJAÏMIA Directeur de thèse




Thèse préparée au sein du
Laboratoire de Science et Génie des Surfaces, UMR 7570, École de Mines ce Nancy























À Maud
À mes parents


AVVAANNTT--PRROOPPOOSS
Ce travail de recherche est le fruit d’une collaboration entre le Centre de Recherche et
Développement d’ArcelorMittal Gandrange pour Produits Longs (Research and Development
– Long Carbon Bars and Wires) et le Laboratoire de Science et Génie de Surfaces (LSGS) de
L’École National Supérieure de Mines de Nancy. Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à
Monsieur Henry MICHEL, ancien directeur du LSGS, pour m’avoir accueilli au sein du
laboratoire. Je remercie également Messieurs Mario CONFENTE et Gerard METAUER,
instigateurs de ce projet.
Je remercie Monsieur Jean-Pierre CHEVALLIER, du Conservatoire National des Arts et
Métiers (CNAM), pour avoir présidé le jury de cette thèse.
J’exprime mes remerciements à Messieurs Patrick CORDIER et Maxence BIGERELLE
pour avoir consacré une partie de leur temps à l’examen de ce mémoire et accepté d’en être
les rapporteurs. Je tiens également à remercier Monsieur Alain HAZOTTE pour avoir accepté
de faire partie du jury d’examen de cette thèse.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Abdelkrim REDJAÏMIA, pour son
encadrement tout au long de cette thèse. Le temps qu’il m’a consacré et sa rigueur scientifique
m’ont été d’un réel soutien.
Je remercie Madame M-T. PERROT-SIMONETA et Monsieur Laurent MAROT, qui ont
été des partenaires industriels essentiels pour la misse en route et le déroulement de ce projet.
Je tiens également à remercier tous les membres du LSGS, passés et présents, du LSGS
pour leur aide et leur soutien, particulièrement :
Mesdames Teresa TOLL-DUCHANOY, Valerie DEMANGE, Christine GENDARME et
Sandrine AMELIO pour leur aide dans ma formation aux techniques de microscopies
électroniques en transmission.
Monsieur Christian ETIENNE, pour son aide précieuse dans la préparation des
échantillons.
Monsieur Francis KOSIOR pour son support sans faille concernant l’informatique.
Les membres du secrétariat passés et présent, Madame Marie-Claude LEHMAN,
Mademoiselle Sylvie COLLINET, Madame Martine SCHNEIDER et Madame Valerie
TAMBURINI pour leur disponibilité et leur appui.

Mes remerciements vont aussi à Éric, David, Noura, Taha, Olivier, Xiaochuan, Nicolas,
André, Yan, et tous les autres qui ont adouci mes journées de labeur au fils des années.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Gérard LESOULT et à Madame
Géraldine PIERSON de la formation SIM pour tout leur aide.
Je remercie mes collègues du Centre de Recherche et Développement de Gandrange pour
leur accueil et leur soutien dans les derniers mois avant l’achèvement de la thèse.
Ces remerciements seraient incomplets sans y associer ma femme, Maud, mon principal
soutien et motif d’inspiration.


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Table de matières


Introduction ................................................................................................................................ 1
I Les aciers microalliés.............................................................................................................. 3
I.1 Les aciers microalliés pour la forge. ................................................................................. 4
I.2 La bainite .......................................................................................................................... 6
I.2.1 Morphologie et cristallographie de la bainite ............................................................ 6
I.2.1 La transformation bainitique...................................................................................... 8
I.3 La ferrite aciculaire..... 9
I.3.1 Morphologie et cristallographie de la ferrite aciculaire............................................. 9
I.3.2 Germination de la ferrite aciculaire ......................................................................... 10
II Matériaux et techniques expérimentales.............................................................................. 13
II.1 Choix des matériaux ...................................................................................................... 13
II.2 Elaboration des nuances ................................................................................................ 13
II.3 Dilatométrie ................................................................................................................... 15
II.4 Techniques de caractérisation........................................................................................ 17
II.4.1 Microscopie optique ............................................................................................... 17
II.4.2 Microscopie électronique à balayage ..................................................................... 18
II.4.3 Microscopie et diffraction électroniques en transmission ...................................... 19
II.4.4 Essais mécaniques de dureté et de compression..................................................... 19
II.4.5 Acquisition, traitement et analyse d’images........................................................... 20
III Genèse de la ferrite aciculaire ............................................................................................. 22
III.1 Transformation austénite ferrite aciculaire.............................................................. 22
III.1.1 Tracé des courbes de transformation en refroidissement continu......................... 23
III.1.2 Domaine d’apparition de la ferrite aciculaire........................................................ 25
III.1.3 L’austénite et ses autres produits de décomposition ............................................. 27
III.4 Influence de la composition chimique sur la formation de la ferrite aciculaire........... 28
III.4.1 Evolution de la microstructure avec la teneur en vanadium ................................. 29
III.4.2 Evolution de f avec la teneur en silicium........................................................... 33 FA
III.5 Rôle des sulfures MnS et carbures V(C,N) sur la form.... 35
III.6 Précipitation interphase de V(C,N) .............................................................................. 40
III.7 Synthèse ....................................................................................................................... 44
IV Morphologie et nature fractale de la ferrite aciculaire........................................................ 48
IV.1 Structures fractales....................................................................................................... 49
IV.1.1 L’autosimilarité ou invariance d’échelle............................................................... 49
IV.1.2 Dimension fractale ................................................................................................ 50
IV.1.3 Fractales autoaffinées, multifractales et statistiques ............................................ 53
IV.1.4 Matériaux à microstructures fractales ....................................