Etude de l'influence de la microstructure, caractérisée par microscopie électronique en transmission et nano-usinage ionique "FIB", sur les propriétés mécaniques d'aciers bainitiques

Study of the influence of the microstructure, caracterised by tem and focused ion beam, on the mechanical properties of bainitic steels

• Auteur / Autrice : Eurydice Chovelon
• Direction : Ahmed Charaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aciers alliés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Microscopie électronique en transmission

Résumé

Depuis quelques années, de nouvelles familles d’aciers tels que les aciers Dual-Phase (ferrite/martensite), présentant des propriétés mécaniques intéressantes, ont été développés en vue d’utilisations dans l’industrie automobile. Toutefois, certaines applications nécessitent des résistances mécaniques encore plus élevées, supérieures à 800 MPa. C’est dans cette optique que nous développons en collaboration (TECSEN – Arcelor) de nouvelles nuances basées sur une microstructure multiphasées microalliées au vanadium. Pour ce faire, il est primordial de comprendre l’influence de la chimie et des traitements thermomécaniques sur la microstructure et la précipitation, qui déterminent les propriétés mécaniques des aciers. Quatre aciers bainitiques ainsi que deux produits de simulation ont été réalisés pour évaluer la contribution aux propriétés mécaniques de chaque constituants de l’acier. Le principal outil d’investigation dans ce travail, est la microscopie électronique en transmission associée aux techniques d’analyse chimique EDS et EELS. En plus des techniques classiques de préparation d’échantillons, nous avons utilisé pour la première fois le nano-usinage ionique (Focused Ion Beam FIB). Il s’est avéré que c’est une technique indispensable pour l’identification de toutes les phases constituant l’acier. Nous avons montré que ces aciers ont une microstructure de type bainitique inférieure contenant des îlots martensitiques en fractions volumiques variables (4 à 10%). Dans tous les aciers étudiés, cette bainite est constituée de grains ferritiques de l’ordre de 2 µm et d’une cémentite globulaire d’environ 100 nm. Néanmoins, la quantité de carbures de vanadium et de cémentite intragranulaire précipitée varie selon le traitement thermomécanique appliqué. En effet, la petite cémentite intragranulaire ne précipite que si la vitesse de refroidissement de l’acier ainsi que l’entrée dans le domaine bainitique correspondent à une certaine fenêtre d’opérations. Dans ce type d’aciers multiphasés et microalliés, en plus de la contribution de la microstructure, les carbures de vanadium permettent d’atteindre des résistances mécaniques de l’ordre de 900 MPa. Pour atteindre 1000 MPa, la fine cémentite intragranulaire (1 à 3 nm) est indispensable.

Since few years, new families of steels like dual-phase steels (ferrite/martensite), with interesting mechanical properties have been developed for automobile industry. Nevertheless, some applications need higher mechanical properties, upper than 800 MPa. This is why we have developed, in collaboration (TECSEN – Arcelor), new steels with multiphase microstructure microalloyed with vanadium. In order to do that, it was essential to understand the influence of both the chemistry and the thermomechanical processes on microstructure and precipitation, which determinate the mechanical properties of steels. Four bainitic steels and two simulation products have been made to understand the contribution of each constituant on mechanical properties. The principal tool employed for this work was the transmission electron microscope coupled with an EDX analyzer and an electron energy loss filter. Classical techniques of sample preparation was used and for the first time, focused ion beam FIB was also used to prepare samples. It was found that this tool has played major role to identify all the phases present in the steel. We have showed that the microstructure of these steels consists of inferior bainite containing martensite in variable amounts (4 to10 %). In all the studied steels, the bainite contains ferrite grains and globular cementite. However, the amount of vanadium carbides and intra granular cementite depends on the thermomechanical process applied. The precipitation of small intra granular cementite is present only for particular cooling speed and entry in bainitic region. In this kind of multiphase and microalloyed steels, more than the contribution of the microstructure, the vanadium carbide allowed to reach mechanical properties of about 900 MPa. To reach 1000 MPa, the fine intragranular cementite (1 to 3 nm) is absolutly necessary.