Ségrégation intergranulaire du bore dans l'austénite d'un acier trempant au bore : étude par tomographie atomique et modélisation

Intergranular boron segregation in a boron steel : Investigation by Atom Probe Tomography and modeling

• Auteur / Autrice : Claire Debreux
• Direction : Didier Blavette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Ascométal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Fraczkiewicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Gey, Simon Catteau, Thomas Sourmail, Frédéric Danoix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Pettinari-Sturmel, Khalid Hoummada

Mots clés

Mots clés contrôlés

Joints de grains

Sondes atomiques tomographiques

Acier austénitique

Martensite

Austénite

Acier au bore

Ségrégation (métallurgie)

Mots clés libres

Ségrégation à l'équilibre

Ségrégation hors équilibre

Effet bore

Aciers trempants au bore

Martensite

Ancien joint de grains austénitiques

Sonde atomique tomographique

Modélisation

Equilibrium segregation

Non-equilibrium segregation

Boron effect

Boron steel

Martensite

Prior austenite grain boundary

Atom probe tomography

Modeling

Résumé

Les aciers trempants au bore sont définis par une importante trempabilité. Cet effet est lié à la ségrégation intergranulaire du bore dans l’austénite. Dans ces aciers, deux mécanismes de ségrégations du bore coexistent généralement : la ségrégation à l’équilibre et la ségrégation hors-équilibre. Ils ont une force motrice et une cinétique différente, et donc une dépendance en température et en temps différente. Ainsi, selon les conditions de traitement thermique, la teneur en bore aux joints de grains austénitiques varie. L’objectif de cette thèse est de comprendre la ségrégation du bore aux joints de grains austénitiques selon les conditions de traitement thermique. Un traitement thermique a été étudié : austénitisation à 1000°C, suivie d’une trempe à 50°C/s jusqu’à 600°C, température à laquelle un traitement isotherme est effectué. L'étude comporte deux volets. L'un expérimental avec la quantification de la teneur interfaciale en bore par analyses en sonde atomique tomographique (APT). L'autre numérique avec le développement d'une modélisation de la cinétique de ségrégation qui intègre les deux types de ségrégations du bore. Une information sur ce qu’il se passe dans le grain et le joint de grains peut être extraite de la modélisation. Les mesures expérimentales sont réalisées après une trempe rapide (300°C/s) jusqu’à température ambiante dans l’ambition de figer l’état à étudier. La trempe conduit à une transformation de l’austénite en martensite. Dans cette configuration complexe, un protocole de microscopie corrélative a été mis au point afin de préparer des échantillons contenant un ancien joint de grains austénitiques (PAGB) pour l'analyse APT. Les analyses expérimentales montrent que d’autres éléments ségrègent aux PAGB en plus du bore (présence de C, P, Cr, V, Mo et Mn), ainsi qu’une absence de bore dans les joints de lattes martensitiques. L’étude des résultats APT et numériques montre que la trempe à 300°C/s, ne permet pas de figer l’état thermique, et qu’un enrichissement de l’interface à lieu lors de cette trempe. Enfin, comme attendu, une variation non monotone de la fraction atomique de bore au joint de grains a été observée à la fois expérimentalement et numériquement, et ce pour des temps de maintiens supérieurs à une seconde. Cependant l’échelle de temps entre la cinétique d’enrichissement de l’interface issue des simulations et celle issue des résultats expérimentaux est très éloignée. Cela peut provenir à la fois d’un jeu de paramètres numériques non adapté et des différences qui existent entre le modèle et la réalité expérimentale (effets de co-ségrégation, ou seconde trempe à 300°C/s, non pris en compte par le modèle). Les résultats obtenus se révèlent être très encourageants, et ouvrent de nombreuses perspectives.

Boron steels are defined by a high hardenability. This effect is related to the intergranular segregation of boron in austenite. In these steels, two mechanisms of boron segregation generally coexist: equilibrium segregation and non-equilibrium segregation. They have a different driving force and kinetics, and accordingly a different temperature and time dependence. Thus, depending on heat treatment conditions, the boron content at austenite grain boundaries fluctuates. The thesis aims at understanding the boron segregation at austenite grain boundaries according to heat treatment conditions. A heat treatment was studied: austenitization at 1000°C, followed by a quenching at 50°C/s up to 600°C where an isothermal holding is carried out. This study is divided in two parts. First, an experimental part with the interfacial boron quantification by Atom Probe Tomography (APT) analysis. Second, a numerical part with the development of a modeling of the segregation kinetics which integrates both types of boron segregation. Informations about what is happening in the grain and the grain boundary can be extracted from the modeling. Experimental measurements are carried out after a fast quenching (300°C/s) down to room temperature with the ambition of freezing the studied state. This quench leads to an austenite-martensite transformation. In this complex configuration, a correlative microscopy protocol was developed to prepare samples containing a Prior Austenite Grain Boundary (PAGB) for APT analysis. Experimental analysis show that other elements segregate at PAGBs in addition to boron (presence of C, P, Cr, V, Mo and Mn), as well as an absence of boron in martensitic lath boundaries. A study of APT and numerical results shows that quenching at 300°C/s does not allow the thermal state to be frozen, an enrichment of the interface during this quenching takes place. Finally, as expected, a non-monotonic variation of the boron atomic fraction at grain boundary has been observed both experimentally and numerically, for hold times greater than one second. However, time scale between numerical and experimental interfacial enrichment kinetics is divergent. This can comes from both an unsuitable set of numerical parameters and from the differences which exist between the model and the experimental reality (effects of co-segregation or the second quenching at 300°C/s, which are not taken into account by the model). Results are proving to be very encouraging, and open up numerous perspectives.