Relations entre la microstructure, les propriétés mécaniques et électromagnétiques de fils d'acier au carbone traités thermomécaniquement

Relations between microstructure, mechanical and electromagnetic properties of carbon steel wires after thermomechanical treatments

• Auteur / Autrice : Isadora Maria Oliveira Anicio Costa
• Direction : Jean-Bernard Vogt, Jérémie Bouquerel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• DOI : 10.70675/957a8029zb899z49d4zae0dz9bcc4ba8a0d8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier au carbone

Propriétés mécaniques

Propriétés électromagnétiques

Tréfilage

Fil d'acier

Traitement thermomécanique

Acier perlitique

Contrôle non destructif

Courants de Foucault

Acier -- Fatigue

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Résistivité

Microscopie à force magnétique

Pearlite

Résumé

La perlite est un constituant de nombreuses nuances d'acier à haute résistance utilisées dans des applications industrielles qui exigent une bonne combinaison de résistance mécanique et de ductilité. Avec les exigences croissantes de qualité des produits et de fiabilité en service, le contrôle non destructif des matériaux permet une évaluation non destructive de leurs propriétés dont les méthodes électromagnétiques, y compris les essais par courants de Foucault (CF). Cependant, l'influence des paramètres microstructuraux sur les propriétés physiques mesurées indirectement par un capteur électromagnétique n'est pas encore complètement élucidée. Le but du présent travail est de comprendre les relations entre microstructure, propriétés mécaniques et comportement électromagnétique de fils d'acier au carbone soumis à différents traitements thermomécaniques. Il vise aussi à améliorer les connaissances en métallurgie physique et mécanique de ces aciers. L'effet des microstructures et de la déformation plastique sur le comportement physique de différents fils d'acier de résistances mécaniques distincts a été étudié à travers de mesures de résistivité jusqu’à 2 K et caractérisations magnétiques, et de contrôle par CF. De plus, les domaines magnétiques ont pu être imagés par microscopie à force magnétique en dépit de microstructures complexes. Les réponses électromagnétiques ont été impactés par des variations de conductivité électrique et de perméabilité magnétique typiques de chaque matériau, principalement liées aux différentes fractions volumiques de phases (cémentite et ferrite), leur distribution et leur morphologie. L'augmentation de la concentration en carbone améliore la localisation des électrons sur les sites atomiques, ce qui contribue au caractère covalent des liaisons interatomiques, réduisant ainsi la conductivité des aciers. En outre, les interfaces α-Fe3C qui agissent comme une barrière physique pour le glissement de dislocation dans la ferrite, affectent également le déplacement des électrons libres et des parois des domaines magnétiques dans le matériau. La conductivité et la perméabilité ont augmenté dans l’ordre : martensite, sorbite, perlite, ferrite proeutectoïde-perlite, sphéroïdite et ferrite. De plus, il a été observé que le comportement électromagnétique des aciers perlitiques dépendait de l’état de déformation résultant du procédé de tréfilage, ainsi que de l'utilisation en service où l’endommagement par fatigue peut se produire. Des expériences de fatigue oligocyclique ont montré que la résistance peut être contrôlée par des traitements thermomécaniques appropriés. Le potentiel d’évaluation par CF a été mis en évidence en tant qu'outil de caractérisation de l'état microstructural et des propriétés mécaniques des fils d'acier au cours d’un procédé de fabrication ou lors de son usage. Enfin, cette technique a démontré son utilité pour surveiller la déformation élastique cyclique et l'accommodation plastique des aciers perlitiques répondant aux conditions de charge en fatigue.

Pearlite is a common constituent of a large variety of high strength steel grades typically used in many structural engineering applications, which demand a good combination of high strength and ductility. With the increasing requirements for product quality and in-service reliability, the non-destructive inspection of materials enables the evaluation of their properties including electromagnetic methods, such as eddy current testing (ECT). However, the influence of microstructural parameters on the physical properties indirectly measured by an electromagnetic sensor has not yet been completely elucidated. The objective of the present work is thereby to understand the relations between microstructure, mechanical properties, and electromagnetic behavior of carbon steel wires submitted to different thermomechanical treatments. It aims also at improving the knowledge of the physical and mechanical metallurgy of these steels. The effect of microstructure and plastic deformation on the electromagnetic responses of different steels with various tensile strengths was investigated through resistivity down to 2 K and magnetic measurements, as well as by ECT. In addition, magnetic domains could be imaged by magnetic force microscopy despite the complex microstructures. The electromagnetic responses changed according to the electrical conductivity and magnetic permeability variations of each material, which were mainly related to changes in the volume fraction, distribution, and morphology of the cementite phase within the α-ferrite matrix. The increase of carbon concentration enhances the localization of electrons at the atomic sites, assisting the covalent character of interatomic bonds and thereby reducing the conductivity of steels. Besides, the α-Fe3C interfaces that act as a physical barrier for dislocation slip in ferrite, affecting as well the main free-path for conductive electrons and magnetic domain walls displacements within the material. Conductivity and permeability increased in the order of martensite, sorbite, pearlite, proeutectoid ferrite-pearlite, spheroidite, and ferrite microstructures. Also, the electrical and magnetic behavior of fully pearlitic steels was observed to depend on the deformation resulted from the cold-drawing and in-service application where fatigue may occur. Low-cycle fatigue experiments have pointed out that the resistance can be managed by relevant thermo-mechanical treatments. The potentiality of ECT was highlighted as a characterization tool of the microstructural state and mechanical properties of steel wires during manufacturing processes or in-service environment. Finally, this technique has been shown to be useful for monitoring cyclic elastic deformation and plastic accommodation of pearlitic steels responding to fatigue-loading conditions.