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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Thierry IUNG : Manager, Metallurgy Expert MPM team - ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
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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
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Aciers austénitiques
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1. Rappels des mécanismes de déformation et de durcissement des aciers austénitiques
À température ambiante, le fer pur est de structure cubique centrée, la ferrite ou fer α. Entre 910 et 1 400°C, la phase stable est l’austénite ou fer γ, de structure cubique à faces centrées. L’ajout d’éléments chimiques dits gammagènes, comme le nickel, le manganèse, le cuivre, le cobalt… stabilise cette phase à température ambiante conduisant à des aciers austénitiques ou à des aciers duplex austéno-ferritiques pour des compositions où le domaine de stabilité à l’ambiante est le domaine biphasé. La figure 1 illustre ce cas pour un alliage binaire Fe-Ni.
1.1 Déformation par glissement de dislocations
Les métaux de structure cubique à faces centrées, comme l’austénite, peuvent se déformer par glissement de dislocations. Les systèmes de glissement possibles sont du type <110> {111} où {111} est le plan de glissement et <110>, le vecteur de Burgers ou direction de glissement [M 4 340].
Il peut être énergétiquement favorable que les dislocations soient dissociées, c’est-à-dire constituées de deux dislocations partielles (dislocations de Shockley) en équilibre avec un ruban de défaut d’empilement [M 4 340] ...
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Rappels des mécanismes de déformation et de durcissement des aciers austénitiques
BIBLIOGRAPHIE
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(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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