Effet de la microstructure sur la transition ductile-fragile d'aciers inoxydables martensitiques emboutissables à chaud

par Hélène Godin

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) et de Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Les aciers emboutissables à chaud sont utilisés pour alléger les pièces de structure automobile. Ils présentent une excellente combinaison entre aptitude à la mise en forme, résistance mécanique et ductilité. De nouvelles nuances d'aciers inoxydables martensitiques ont été développées pour cette application. Parmi les propriétés requises, la résilience est un indicateur de la capacité à absorber l'énergie d'un crash. Cependant, le lien entre la microstructure et la résistance au clivage de ces aciers restait à établir. Ces travaux traitent de l'influence de la composition chimique (teneur en niobium), du traitement d'austénitisation et du refroidissement après l'emboutissage à chaud, sur la microstructure et la résilience de ces aciers. Pour ce faire, une analyse microstructurale détaillée est effectuée après différents traitements thermiques. Les microstructures obtenues sont complexes, avec des lattes de martensite plus ou moins auto-revenues, de la ferrite résiduelle, des films d'austénite retenue et des carbures. Les transitions ductile-fragile ont été caractérisées par des essais Charpy sur une large gamme de températures. La contrainte critique de clivage a été déterminée en adoptant l'approche locale de la rupture et vaut 2400MPa quelle que soit la microstructure. Le niobium a pour principal effet d'affiner la microstructure, ce qui permet d'augmenter la résistance à la propagation des fissures de clivage et d'améliorer significativement la transition ductile-fragile. De plus, l'austénite retenue, dont la fraction dépend du traitement thermique, fait varier l'écrouissage au début de la déformation plastique donc la déformation nécessaire pour atteindre localement la contrainte critique de fissuration par clivage. Ainsi, l'austénite résiduelle permet de diminuer considérablement la température de transition ductile-fragile.

  • Titre traduit

    Effect of microstructure on the ductile-to-brittle transition of hot stamping martensitic stainless steels


  • Résumé

    Hot stamping steels are widely used for lightweight automotive structural parts, because of their excellent combination of formability, strength and ductility. New hot stamping martensitic stainless steel grades have been developed for this application. Among key properties required for automotive structural parts, impact toughness is a useful indicator of crash worthiness. However, the link between microstructure and the brittle fracture resistance of these steels had still to be established. The present work examined the effect of the chemical composition (niobium addition), austenitization heat treatment, and cooling conditions after hot stamping, on the microstructure and impact toughness of these steels. In order to do this, a detailed analysis of the microstructures obtained after various heat treatments was done. The microstructures are complex, with more or less auto-tempered martensitic laths, untransformed ferrite, retained austenite, and fine alloy carbides. The ductile-to-brittle transition behavior was characterized using Charpy tests over a large temperature range. The critical cleavage fracture stress was determined to be around 2400MPa whatever the microstructure, by applying the local approach to fracture. The main effect of niobium was to refine the grain size, resulting in a strong improvement of the ductile-to-brittle transition behavior by increasing the resistance to cleavage crack propagation. Moreover, the heat treatment impacts the retained austenite fraction and thus modifies incipient plasticity and the strain necessary to reach locally the critical stress required to trigger cleavage fracture. In this way, retained austenite plays a determining role to decrease the ductile-to-brittle transition temperature.