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RÉSUMÉ
L’addition d’éléments gammagènes favorise la stabilité de la phase austénitique des aciers à température ambiante. L’austénite combine une résistance mécanique élevée à une ductilité importante. La composition chimique et les traitements thermomécaniques permettent d’élaborer des aciers multiphasés, composés essentiellement de ferrite et d’austénite, associant les avantages des deux phases. Cet article présente les caractéristiques mécaniques des aciers austénitiques et des aciers multiphasés en lien avec les mécanismes de déformation particuliers à l’œuvre dans ces nuances. Des exemples d’applications pratiques illustrent le propos pour différents domaines d’emploi de ces aciers.
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The stability of austenite at room temperature is favored by adding elements such as nickel, manganese, cobalt, copper, carbon, or nitrogen. The austenitic structure combines high tensile strength with large plastic deformation. Adjusting chemical composition and thermomechanical treatments yields multiphase steels, usually ferrite-austenite, with a useful combination of the properties of each phase. In this article, the main mechanical properties of austenitic and multiphase steels are deduced from their specific deformation mechanisms. Practical examples illustrate some final applications of these steels.
Auteur(s)
-
Thierry IUNG : Manager, Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
-
Jean-Hubert SCHMITT : Professeur des Universités - MSSMat, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, Châtenay-Malabry, France
INTRODUCTION
Les mécanismes de déformation plastique sont directement fonction de la structure cristalline des métaux considérés. Les aciers, en fonction de leur composition chimique et des traitements thermomécaniques, se présentent à température ambiante sous forme de deux variétés allotropiques, la ferrite de structure cubique centrée et l’austénite de structure cubique à faces centrées. Après avoir décrit le rôle de la microstructure sur le durcissement des nuances d’acier ferritiques [M 4 341], cet article aborde la déformation des nuances austénitiques dont les aciers inoxydables sont emblématiques. L’excellente combinaison d’une résistance mécanique élevée et d’un fort allongement à rupture conduit à un regain d’intérêt marqué pour des nuances austénitiques sans chrome. La nature et la teneur en éléments d’addition contrôlent alors le comportement mécanique de l’austénite et sa stabilité. En plus du glissement des dislocations, la déformation plastique à température ambiante de ces aciers s’accompagne du maclage et de la transformation martensitique induite, en fonction de la (méta)stabilité de l’austénite.
La stabilité de l’austénite est fonction de sa composition chimique. En ajustant celle-ci, l’austénite peut se transformer partiellement en martensite au cours de la déformation plastique conduisant à une microstructure biphasée. Il est également possible d’obtenir directement des nuances multiphasées composées de deux ou plusieurs des constituants des aciers. Le comportement de ces nuances multiphasées est alors fonction de la nature et de la fraction volumique de chaque phase, ainsi que de leur évolution éventuelle au cours de la déformation. Ces nouvelles microstructures ouvrent le champ à une très grande variété de comportement mécanique et permettent surtout de limiter la chute de ductilité lorsque la résistance mécanique maximale s’accroît.
Cet article présente les nouvelles voies de développement des aciers à très haute résistance, et donne quelques exemples de nouvelles nuances. Il conclut par des éléments de modélisation du comportement des aciers multiphasés mettant ainsi en évidence les relations entre les microstructures et les propriétés mécaniques.
Comme il est d’usage dans l’industrie sidérurgique, toutes les teneurs élémentaires sont données en pourcentage en masse des différents éléments d’addition.
De façon simplifiée, la notation Fe-xM1-yM2 signifie un alliage à base de fer contenant x% en poids de l’élément M1 et y% en poids de l’élément M2.
Un glossaire et un tableau des notations et symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
microstructure propriétés mécaniques procédés de fabrication mise en forme matériaux métalliques
KEYWORDS
microstructure | mechanical properties | manufacturing process | forming metallic materials steels
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Aciers multiphasés
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2. Aciers austénitiques
2.1 Aciers inoxydables austénitiques
Les aciers inoxydables austénitiques sont des alliages Fe-Cr-Ni ayant une teneur en chrome comprise entre 18 et 25% et une teneur en nickel entre 8 et 20%. L’ajout de molybdène (entre 2 et 3%) offre une meilleure résistance à la corrosion dans certains milieux. La teneur en carbone est en général inférieure à 0,05% pour éviter la précipitation de carbures de chrome dans les joints de grains qui, en réduisant localement la teneur en chrome en solution solide, diminue la résistance à la corrosion intergranulaire et favorise le phénomène de piqûre. De faibles quantités de titane ou de niobium peuvent être ajoutées pour piéger le carbone résiduel sous forme de carbures alliés du type MC à la place des carbures de chrome.
Les mécanismes de durcissement utilisés pour ces alliages sont principalement le durcissement par solution solide et le durcissement par affinement du grain. La limite d’élasticité de ces aciers à l’état recuit est de l’ordre de 250 MPa. L’ajout de 2% de molybdène, par exemple, porte la limite d’élasticité à une valeur de l’ordre de 320 MPa. Pour les pièces de construction, on a recours à un durcissement en solution solide par l’ajout d’azote jusqu’à une teneur de 0,5% qui permet d’augmenter la limite d’élasticité à environ 480 MPa [M 4 340].
D’une façon similaire aux nuances ferritiques [M 4 341], la limite d’élasticité σ e des aciers austénitiques est fonction de la taille de grain D et de la teneur massique en éléments d’addition...
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Aciers austénitiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LACOMBE (P.), BERANGER (G.) Ed, BAROUX (B.) - Structures et diagrammes d’équilibre des diverses nuances d’aciers inoxydables – Conséquences sur leurs traitements thermiques. - In Les aciers inoxydables, Ch. 2, Les Éditions de Physiques, Paris (1990).
-
(2) - HULL (D.), BACON (D.J.) - Introduction to Dislocations (5th Edition). - Butterworth-Heinemann (Elsevier) (2011).
-
(3) - THOMAS (B.), HENRY (G.), LACOMBE (P.), BAROUX (B.), BERANGER (G.) Ed - Structures et métallographie des aciers inoxydables (Partie 1, chapitre 3). - In Les aciers inoxydables, Les Éditions de Physique (1990).
-
(4) - HAASE (C.), CHOWDHURY (S.G.), BARRALES-MORA (L.A.), MOLODOV (D.A.), GOTTSTEIN (G.) - On the Relation of Microstructure and Texture Evolution in an Austenitic Fe-28Mn-0.28C TWIP Steel During Cold Rolling. - Met. Mater. Trans. A 44A, p. 911 (2013).
-
(5) - BOUAZIZ (O.) - Strain-hardening of twinning-induced plasticity steels. - Scripta Mater. 66, p. 982...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Site du Bureau de Normalisation des Aciers (BN Aciers)
http://www.acier.org/menu-left/normalisation.html (pages consultées en janvier 2016)
HAUT DE PAGE1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Fédération Française de l’Acier (FFA)
Office technique pour l'utilisation de l'acier (Construire Acier)
Réseau National de Métallurgie (SF2M)
http://sf2m.fr/CommissionsThematiques/RN_Metallurgie.htm
HAUT DE PAGE1.2 Laboratoires (liste non exhaustive)
Laboratoires universitaires français actifs en métallurgie
http://sf2m.fr/RNM_competences/Answers/RNM_compet.aspx
Centres de recherche ArcelorMittal
http://corporate.arcelormittal.com/what-we-do/research-and-development/research-centres
Recherche et développement APERAM
Recherche et développement Aubert&Duval
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