Deuxième Partie Base de données -...

Deuxime partie : Base de donnes

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Deuxime Partie

Base de donnes


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1. IntroductionLa base de donnes a pour principaux objectifs la dtermination des paramtres

introduire dans les modles, la validation des modles et ventuellement, la mise en videncede phnomnes non-pris en compte par ceux-ci.

Un programme dessais consquent (cf Ch5 de la premire partie) a t tabli afindanalyser chacune des consquences mcaniques des transformations de phase (dformationthermomtallurgique, plasticit de transformation, restauration dcrouissage et comportementmultiphas) en fonction de divers paramtres comme la composition mtallurgique aurefroidissement, le niveau et la direction de la charge applique.

Pour raliser ces essais, un dispositif spcifique a t dvelopp, dispositif dcrit endtail dans le chapitre 2 de cette partie. Ce dispositif comprend les principaux lmentsgnralement utiliss par les dispositifs existants pour caractriser les transformations dephase avec et sans application de contrainte, dispositifs dont on rappelle succinctement lesprincipes. Il permet lapplication dune charge unidirectionnelle de traction ou decompression au cours dun cycle thermique, les chargements thermique et mcanique tantpilots selon les consignes programmes par lutilisateur. Des mesures de temprature,dallongement et de tension lectrique dans la zone o la temprature est uniforme sontralises en continu au cours de lessai ainsi que la mesure de la force applique.

Dans le chapitre 3, lacier 16MND5 tudi est spcifi, dans son tat de livraison etsuivant la temprature (essais de traction monotone froid ; essais de dilatomtrie libre) desorte dfinir le caractre anisotropique du matriau pour lanalyse des rsultats ultrieurs.Les cycles thermiques propres aux diverses transformations (totalement martensitique,totalement bainitique ou encore bainito-martensitiques en diffrentes proportions) sontdtermins. Une procdure exprimentale permettant dannihiler au mieux les effets dus lamise en forme de lacier est dcrite afin dobtenir un matriau sans effet parasite, lobjectiftant la validation des modles.

Seuls les essais concernant la dformation thermomtallurgique des phases (essais dedilatomtrie libre) et la plasticit de transformation (essais de dilatomtrie avec transformationsous contrainte) pour les transformations totalement martensitique et totalement bainitique ontt effectus dans le cadre de cette thse

En ce qui concerne les essais de dilatomtrie libre (chapitre 4), les coefficients dedilatation des diffrentes phases sont dtermins ainsi que la dformation mtallurgiqueassocie aux diffrences de compacits entre phases mre(s) et fille (s) . Par une loi desmlanges linaire, les proportions de phase sont estimes au refroidissement en fonction de latemprature.

Les essais de dilatomtrie avec transformation sous contrainte constante (chapitre 5)permettent de dterminer :

- les dformations de plasticit de transformation rsiduelles en fonction du niveau duchargement et de sa direction (traction ou compression), leffet du fluage tant supposngligeable en dessous de la temprature de fin de mise en charge

- la dformation de plasticit de transformation en fonction de lavancement de latransformation, en se limitant aux cas des charges appliques de faibles niveaux, leffet de lacontrainte sur la transformation tant suppos ngligeable ainsi que leffet du fluage, pour lestempratures infrieures la temprature de fin dapplication de la charge


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2. Dispositif exprimental

2.a. Cahier des charges

Ce dispositif doit permettre ltude paramtrique des quatre principales consquencesmcaniques des transformations de phases savoir (1) la diffrence de compacit des phaseset leur diffrence de coefficients de dilatation, (2) la dformation de plasticit detransformation, (3) le comportement multiphas et (4), la restauration dcrouissage.

Chacune de ces consquences dpend de lhistoire thermique tant donn quelles sontpropres une transformation mtallurgique. Ainsi, il faut que lanalyse se fasse pour un cyclethermique homogne sur lensemble de la zone de mesure.

Par ailleurs, il est ncessaire que la microstructure dsire soit obtenue sur un volumesuffisamment important de faon ce quelle reproduise le comportement de lamicrostructure particulire obtenue en un point de la Z.A.T.. Il faut donc que la zone o latemprature est uniforme soit suffisamment importante pour permettre des mesures detemprature et dallongement.

De plus, le but tant la paramtrisation des modles existant, les conditionsdaustnitisation sont choisies identiques celles de la Z.A.T. ,et les vitesses derefroidissement linaires, les diagrammes de Transformation Refroidissement Continu(T.R.C.) dfinissant les transformations de phase tant employs pour la mise en donnes descalculs.

En ce qui concerne les chargements mcaniques appliquer, les dformations dues (1) peuvent mises en vidence par les anomalies prsentes par la courbe de dformationsous chargement thermique uniquement cest--dire lors dessais de dilatomtrie libre. Pouridentifier la dformation de plasticit de transformation (2), des essais de dilatomtrie avectransformation sous contrainte de faible niveau seront raliss. Dans le but de caractriser lecomportement des mlanges multiphass (3) , des essais de traction monotone seronteffectus pour diffrents mlanges la temprature o ils existent : les mlanges bainito-martensitiques seront caractriss lambiante sur des prouvettes ayant subies pralablementdes essais de dilatomtrie libre, quant aux mlanges contenant de laustnite, ils serontobtenus par larrt du refroidissement, au cours dun cycle dilatomtrique, la temprature oexiste le mlange choisi. Afin dvaluer la restauration dcrouissage au cours de latransformation au refroidissement (4), des essais de dilatomtrie avec crouissage delaustnite seront raliss, succds par des essais de traction monotone froid .

Ainsi, ltude des principales consquences mcaniques des transformations de phasencessite lapplication ou non dune charge au cours dun cycle thermique homogne sur lazone de mesure, et tel que le cycle thermique soit reprsentatif dun point de la Z.A.T. avecune vitesse de refroidissement linaire.


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2.b. Principes des dispositifs de caractrisation des transformations dephase existant

Les simulateurs de cycles de soudage ont t mis au point pour la premire fois parNIPPES et SAVAGE en 1948 [NIP48]. Les divers instituts de soudure les ont dvelopps afindtudier les transformations de lacier au cours de cycles thermiques rapides.

Des chantillons sont chauffs par effet Joule ou induction. Leur dimensions sontsuffisamment faibles afin que les vitesses de monte en temprature et de refroidissementpuissent tre leves et quil ny ait pas de gradient thermique au sein de lprouvette. Engnral, leur section est limite 11 11 mm. Des thermocouples en chromel-alumel sontmicrosouds la surface de l'chantillon avec un espacement de 3 5 mm entre les deux filsdans la direction perpendiculaire aux lignes de courant dans le cas dun chauffage par effetJoule. Ils sont placs de faon vrifier lhomognit de la temprature au sein delprouvette. Avec ce type de thermocouples, la temprature maximale atteinte est limite 1390C. Pour les tempratures plus leves, il est ncessaire d'utiliser des thermocouplesplatine-platine rhodi. La dilatation et la contraction de l'chantillon sont trs souventenregistres de faon continue lors de la simulation du cycle thermique de soudage. Desmthodes danalyse magntique sont galement mises en place sur ces dispositifs afin dedtecter les transformations microstructurales.

Deux simulateurs permettant lapplication dune charge uniaxiale de traction oucompression sont commercialiss notre connaissance : les simulateurs Gleeble et Dithem .

Le simulateur Gleeble [GLE85] est utilis afin de reproduire les cycles thermiquesmultipasse subis par un point de la ZAT et de raliser des essais de striction chaud. Lazone simule sur machine Gleeble se trouve au centre dun barreau. Il ne sagit pas dunezone homogne mais similaire la Z.A.T..

Le simulateur DITHEM (conu lINPL et ralis par lIRSAP [DIT93]) a tdvelopp en 1975 et a fait lobjet dun brevet C.N.R.S. - ANVAR. La version actuelle dece simulateur [DIT93 ,GAU85, COL80] permet dappliquer des charges de traction oucompression laide dun vrin hydraulique pilot soit en charge, soit en dplacement et ilest possible de passer dun mode de rgulation lautre en cours dessai. Les mesures deforce et de dplacement se font directement sur lchantillon afin dasservir le vrin. Lessystmes de chauffage et de refroissement sont similaires ceux des simulateurs de cyclesthermiques de soudage. Les variations de longueur sont transmises par lintermdiaire dedeux tiges en silice parallles laxe de traction, un capteur de dplacement transformateur diffrentiel. Le dplacement de la tte suprieure de lprouvette esttransmis au noyau du capteur par une tige en silice. Cette tige repose au fond dun alsagepratiqu dans la tte de lprouvette.

La figure 15 schmatise le principe de fonctionnement du simulateur DITHEM.


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Figure 15 : Principe de fonctionnement du simulateur DITHEM [DIT93]

Il est noter quun dispositif permettant lapplication dun chargement combintraction-torsion ou traction-compression a t dvelopp rcemment [VID95].

En conclusion, les dispositifs existant utilisent un systme de chauffage parrayonnement, effet Joule ou induction. Un vrin de traction ou compression permetlapplication dune charge au cours dun cycle thermique rapide. Les cycles thermiques etmcaniques sont rguls par des systmes de pilotage couplant lasservissement mcanique etthermique. Les mesures de tempratures sont raliss laide de thermocouples microsoudssur le spcimen. Le refroidissement est rgul par dbit de gaz et les essais se droulent sousatmosphre neutre pour viter les problmes de corrosion.


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2.c. Mise en uvre des chargements et dfinition de la gomtrie desprouvettes

2.c.1. Dispositif de chargement mcanique

Il doit permettre de raliser des cycles force impose nulle ou non et des cycles dformations imposes de niveau suffisamment lev pour conduire des essais de traction surdes mlanges austnite et martensite.

Le chargement mcanique est choisi uniaxial de traction ou de compression. Il estappliqu laide dun servo-vrin double-tige double-effet, de course 250 mm maximum. Lacharge nominale du servo-vrin est de 7.5KN. Il est quip daccumulateurs de pression et deretour, dun limiteur de pression et dun capteur de position de type LVDT. La centralehydraulique dune puissance de 15CV, fournit une pression de 250 bars avec un dbitmaximum de 18 L/min, et est quipe de systmes de filtration et de scurit. Larmoire decommande Centralp assure la rgulation du servo-vrin en fournissant les informations laservo-valve. Elle assure la surveillance des diffrentes scurits et la mise en forme dessignaux des capteurs de dplacements et de forces (3 voies de rgulation), avec une frquencede 3.5 Khz. Elle comporte un gnrateur de fonctions permettant lutilisateur de dfinir lasuite des oprations excuter par le servo-vrin (force ou dplacement impos(e)), lespriphriques permettant de dialoguer avec lautomate, et un rgulateur de PID numriquerapide permettant dasservir le vrin. Le vrin est pilot soit en force soit en dplacement.Lutilisateur peut programmer des fonctions multilinaires.

La figure 16 schmatise la synoptique du dispositif de chargement mcanique.

C offreth yd rau l ique

a lim en ta tion

b a c h u i le

M

A rm o ire dergulation

C entr alehydrauli que

bti d 'essais

se rvo -v r in

capteu r de fo rce

dp lacem entcap teu rs d e

servo-va lve

Figure 16 : Dispositif de chargement mcanique


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Il est noter quun dispositif de chargement spcifique est distingu pour les essais detraction monotone lambiante, la charge nominale du servo-vrin du dispositif dedilatomtrie sous contraintes ntant pas suffisante pour atteindre la limite dlasticit delprouvette ayant subi une trempe.

2.c.2. Dispositif de chargement thermique

Les phnomnes analyser mettent en jeu des vitesses de refroidissement diverses desorte engendrer diffrentes transformations. Les conditions daustnitisation doivent treidentiques pour tous les cycles compte tenu de linfluence de la taille de grain austnitique surles transformations au refroidissement. La vitesse de monte en temprature est fixe 80C/s, vitesse dtermine pour tre dans des conditions identiques aux essais de simulationde cycles thermiques de soudage par faisceau laser ralis ultrieurement par le CentredEtudes de Thermique de Lyon [DRU96].

La monte en temprature se fait par effet Joule, procd de chauffage volumique. Lesystme de chauffage par effet Joule a t choisi dune part pour limiter au maximum lesgradients entre lintrieur et la surface du spcimen et dautre part, pour permettre les mesuresdallongement et de temprature sur la zone utile de lprouvette dont la taille doit tresuffisamment importante. Par ailleurs, il sagit dun quipement dj disponible aulaboratoire. Toutefois, il est noter que les zones plus riches en carbones subiront unelvation de temprature locale du fait de la bonne conductivit du carbone [CAU95].

La puissance lectrique est dlivre par un gradateur de puissance maximale de 40KVA aliment sous 220V alternatif. Un transformateur permet dobtenir en sortie une tensionde 10 V. Le courant (4000 A maximum) est redress par lintermdiaire de ponts de diodes etde filtres. Il est ensuite dlivr aux bornes de lprouvette. Il permet, pour la gomtriedprouvette choisie (cf 2.c.3), une vitesse maximale de monte en temprature de 125C/sjusqu 1100C (voir plus). La commande du gradateur se fait l'aide d'un programmateur -rgulateur Eurotherm de la srie 900 HP, pilot par l'utilisateur. Le rgulateur compare lesignal donn par le thermocouple microsoud sur lprouvette au point dobservation, avec laconsigne programme, et envoie linformation au gradateur toutes les 50ms, qui ajuste lapuissance dlivre de faon ce que les deux valeurs concident. Le refroidissement estobtenu par dbit dazote et dair, lintrieur de lprouvette de gomtrie tubulaire. Ledclenchement du refroidissement se fait par lintermdiaire dune lectrovanne rgulatrice dedbit galement pilot par le rgulateur Eurotherm partir de la mesure de temprature.Il est noter que pour les tempratures trs leves (entre 1100C et 1000C environ), la vitesse durefroidissement naturel par rayonnement est rapide (> 10C/s) et nest pas contrle.


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La figure 17 rsume la synoptique du systme de rgulation thermique :

R gu lateu r E u ro th erm 90 0H P

2 20 V

G rad ateu r TC 1 0 28

4 0 0 0 A

2 5 0 A

1 0 V_

_

red resseu r

transfo rm ateu r

a ir

azo te

le c tro van n e

le c tro v an n e

le c tro va n n e r gu la tr ic e d e d b i t

G az r fr ig rant

th erm o co u p le p ilo te

Figure 17 : Dispositif de rgulation thermique

Des lgers flux dargon et dazote circulent respectivement sur la surface externe delprouvette durant tout le cycle thermique, et dans lprouvette lors de la monte et dumaintien en temprature, de sorte limiter les problmes de corrosion.

Le refroidissement seffectue par dbit dazote dans lprouvette jusqu latemprature de 150C, temprature partir de laquelle le dbit dazote est remplac par undbit dair, de sorte limiter sa consommation.

Le schma de la figure 18 prsente les diverses circulations de fluides.

m ors m obile

m o rs fix e

p ice de cuivre

c ircu lation d 'azote

circulationd 'argon

Figure 18 : Circulations de gaz mises en jeu


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Ces flux de faible dbit nentranent des gradient de temprature ngligeable suivantlpaisseur de lprouvette, mme pour les vitesses de refroidissement trs lentes. Cette

indication est apporte par le calcul du nombre de Biot Bi = h e( / )2

, o h est le coefficient

dchange entre la paroi et le milieu extrieur, et la conductivit thermique de lacier16MND5 ( 20 W/mK pour une temprature de 1373K). Dans notre cas, le coefficientdchange hc ( 5 W/m2.C) li leffet convectif des flux dazote ou dargon conduit Bi 1.25 x 10-4


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1.c.3. Gomtrie des prouvettes

La gomtrie et le dimensionnement de lprouvette sont dicts par les conditions

suivantes :

compatibilit puissance lectrique dlivrer et effort mcanique appliquer viter lchauffement des ttes de lprouvette chargement thermique axisymtrique partie utile de lprouvette suffisamment large pour permettre des mesures dallongement

de la zone o la temprature est uniforme gomtrie tubulaire impose par le systme de refroidissement (dbit de gaz) liaisons mcanique et lectrique engendres par le dispositif de fixation de lprouvette :

portes coniques pour liaison lectrique et centrage mcanique, filetage pour transmissiondes efforts

mesures de temprature par microsoudage de thermocouples sur la surface externePour cela, il faut que la gamme dusinage vrifie les conditions suivantes (annexe 2) :

1. surface interne ne prsentant pas dirrgularit de surface2. rugosit faible sur le diamtre extrieur de 20 mm3. concentricit diamtre extrieur de 20 mm et diamtre intrieur de 16 mm

La figure 19 prsente la gomtrie et les dimensions des prouvettes vrifiant lesdiverses conditions dcrites prcdemment.

Figure 19 : Gomtrie e t dim ensio ns des prou vettes (co tes en mm)


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2.d. Mthodes de mesures

2.d.1. Dfinition du type de mesures effectuer

Les vitesses maximales seront lies la vitesse de monte en temprature qui est fixe 80C/s. Pendant ce laps de temps, les informations doivent tre transmises aux dispositifs dergulations thermique et mcanique. Il faut donc que les mesures soient effectues dans destemps trs courts de lordre du centime de seconde pour chaque voie. Par ailleurs, lesinformations dcrivant les transformations mtallurgiques doivent tre suffisamment prcisespour dceler le dbut de transformation par lintermdiaire danomalies dilatomtriques. Lamesure de leffort appliqu doit permettre des mesures trs fines pour une meilleurergulation force nulle et dans une plage de mesure permettant lapplication dune chargepour les essais de dilatomtrie sous contrainte (essais auxquels on se limite dans le cadre decette thse).

2.d.2. Mesure de temprature

Les mesures de temprature sont effectues laide de thermocouples de type K(Chromel-Alumel) de diamtre 78 m pour limiter linertie de mesure, microsouds lasurface de lprouvette. Les fils sont microsouds avec un espacement entre les deux filsconstituant le couple thermo-lectrique de sorte mesurer effectivement la temprature delprouvette dune part, ce qui nest pas garanti lorsque les deux fils de thermocouples sontmicrosouds entre eux, la microsoudure des fils ntant pas forcment en contact aveclprouvette. Dautre part, cela permet de minimiser lerreur de mesure due leffet deconvergence des lignes de flux de lprouvette vers le fil de thermocouple.

Lerreur maximale lie aux effets de convergence et linertie de mesure, est tabliedans lannexe 3,et elle vaut :

err (T) = 0.6% x T + 0.1 x Vr (C/s) pour T 500C

err (T) = 0.6% x T + 09%. x T600

+ 0.1 x Vr (C) pour 500 C< T < 1100C

err (T) =1.5% T + 0.1 x Vr (C/s) pour T = 1100C

avec T = T - 500C.

Certaines erreurs lies lutilisation de leffet Joule comme mthode de chauffageont pu tre corriges. En effet, un dcalage des fils de thermocouple suivant la directionperpendiculaire aux lignes de courant, peut entraner des erreurs de mesure non ngligeables,du fait de lajout dune tension parasite.


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tension

passage d uco urant dansl 'prouv ette

Figure 20 : Erreur dimpl antatio n des fils de thermoco uples

Pour rduire au maximum cette erreur, un dispositif spcifique a t dvelopp desorte piloter le cycle thermique au mieux.

Pour les mesures enregistres, ces erreurs sont corriges tant des fonctions linairesde la tension mesure (cf 2.d.3) entre deux points de la zone utile de lprouvette (annexe3).

Par ailleurs, compte tenu du niveau lev de temprature atteint au cours dun cycle,certains thermocouples se dessoudent et le choix de la mesure qui sera prise en compte pourlanalyse des rsultats se fait au cas par cas. Sont pris en compte pour le choix desthermocouple de rfrence , les facteurs suivants, classs en fonction de leur importance :

la position du thermocouple sur la base de mesure (le plus central possible) le nombre de thermocouples indiquant des valeurs similaires ou trs voisines la qualit de la mesure selon le niveau du dfaut dimplantation des thermocouples.

2.d.3. Mesures de tension et estimation de la chaleur volumique apparente auchauffage

Les mesures de tension sont raliss en microsoudant deux fil s de thermocouples demme nature aux extrmits de la zone utile de lprouvette.

Au chauffage, elles permettent non seulement de corriger les erreurs de mesures maisaussi de dterminer la chaleur volumique apparente au chauffage via lexpression suivante :

CpUI

dT

dt

= Pr

( )

avec Cp, chaleur volumique apparente (prenant en compte le point de Curie U, tension entre les deux points spars dune distance L, et I, intensit du courantPr, puissance perdue par missivit par le matriau dans la zne considredT

dt, vitesse de monte en temprature

S, section de lchantillon


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2.d.4. Mesure de lallongement relatif axial et dtermination de la dformationaxiale

Mesure de lallongement

Lallongement axial dans la partie utile (o la temprature est quasiment uniforme) estmesur laide dun extensomtre (figure21). Cet extensomtre est constitu de deux tiges enalumine de sorte rsister aux tempratures leves. Les pointes des tiges sont tailles enbiseau et mises en contact avec lprouvette aux extrmits de la zone utile de 15 mm dont onmesure llongation. Les variations de lentre-axe entre les extrmits libres des deux tigessont mesures laide dun capteur de type inductif de plage de mesure 1.25 mm. Les tigessont suffisamment longues pour que le capteur ne soit pas soumis au champlectromagntique induit par le passage du courant dans lprouvette et par ailleurs, pour quilne subisse pas dlvations de temprature. La sensibilit de lextensomtre est de 70m/Vavec lamplification actuelle du signal. La prcision de lextensomtre est estime 1.25%,prcision prenant en compte lcart la linarit du capteur.

L

F

Fpivots

A

B

force appl i que par un ressor t

capteur induct i f

Figure 21 : Schm a de pri ncip e de l extensom tre


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Dtermination de la dformation axiale

Lallongement rsiduel un ou plusieurs cycle (s) de dilatomtrie libre ou rsiduel un cycle de plasticit de transformation, nest pas cumul la taille de la base de mesure carle positionnement des couteaux de lextensomtre se fait 0.6%.

De lallongement axial mesur, est dduite la dformation axiale de lprouvette pardivision de lallongement par la longueur initiale de la base de mesure de 15 mm dans le casdes essais de dilatomtrie libre et sous contrainte pendant la transformation.

Les mesures des diamtres initiaux interne et externe de lprouvette sont effectuesrespectivement laide dun micromtre et dun palmer. La section de lprouvette peut treactualise au cours dun essai, connaissant lallongement axial de lprouvette selonlexpression :

( )[ ]S S th e e p p pt pt= + 0 1 2 avec S D emoy0 0 0= et i iLLo=

o : e , p et e tant les coefficients de Poisson lastique, plastique et de plasticit detransformation et valant 0.3 pour le premier et 0.5 pour les deux derniers.

D0moy est le diamtre moyen initial. e0 est lpaisseur initial de lprouvette.

i et Li tant respectivement la dformation et lallongement axial correspondant leffet i (i signifiant thermique, lastique, plastique et de plasticit de transformation) suivantles essais raliss.

La dissociation des dformations axiales thermique, lastique, de plasticit detransformation ou encore de plasticit classique est explicite en dtail dans le chapitre 5.

2.d.5. Mesure de la force axiale et dtermination de la contrainte applique

Mesure de la force

Le capteur de force utilis a une capacit de 34 KN dans le cadre des essais dedilatomtrie libre et sous contraintes. Sa sensibilit est de 2.5 N/mV avec le gain actuel choisipour lamplification. Il est situ dans le prolongement de lprouvette entre le mors et latraverse suprieure. Il permet ainsi de mesurer leffort appliqu lprouvette aprs avoirrgler son zro de sorte compenser le poids de lprouvette. La prcision du capteur est de 0.05 % (notice du fabricant).

Influence des diffrentes dformations sur la variation de section et calcul de lacontrainte

La dformation thermique maximale obtenue 1100C vaut environ 1.8%, ce quientraine, daprs lexpression de la section actualise rappele dans le paragraphe prcdent,une variation de section maximale de 3.6%.


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Les dformations lastique et de plasticit de transformation maximales engendreslors des essais de plasticit de transformation o la contrainte applique est infrieure lalimite lastique de la phase austnitique la temprature dapplication de la contrainte, sontde lordre respectivement de 0.08% et 2%. Elles entranent des variations de sectionrespectives de lordre de 0.048% et 2%. La prise en compte de ces variations de sectionconduit des variations maximales respectives de 0.44% et 2.6% dans lestimation de lacontrainte applique dans le cas des chargements appliquer (cf chapitre 5). Dans le cadredes essais de plasticit de transformation, les contraintes sont donc values par division dela force applique par la section initiale.

Dans le cadre des essais de traction monotone, les dformations sont plus leves; ilfaut donc actualiser la section pour calculer la contrainte.

2.d.6. Dispositif dacquisition des mesures

Les signaux dlivrs par les thermocouples sont relis un amplificateur-conditionneur Centralp MC3300 de 12 voies. Les signaux dlivrs par les capteurs de force etde dplacements sont respectivement conditionns et amplifis par des cartes intgres danslarmoire de pilotage du servo-vrin. Ils sont amplifis de telle sorte qu la sortie, les tensionsne dpassent pas 5V, maximum admissible par les modules dacquisition rapide Johne &Reilhofer pilots par le logiciel Nsoft. La frquence maximale dacquisition est de 1.509 Khzpour 16 voies (trs suprieures aux besoins de cette tude). La figure 22 prsente lasynoptique du dispositif dacquisition :

AmplificateurConditionneur

Centralp MC3300Filtres

Anti-retours

SYNOPTIQUE GENERALE DU DISPOSITIF

Bloqueur MultiplexeurConvertisseur

Analogique Digital

Module PCMDemultiplexage

16 bits paralllesmaximum

mise en memoireimpression

traitements desdonnes

Modulateur PCM TM 16 K 13 SM

Johne + Reilhofer

ENTREE

1 16 voies

Echantill onneur

Figure 22 : Synoptique du dispo sitif d acqu isition

Ainsi, les diffrentes mesures sont effectues de manire quasi-simultane (environ 50mesures par seconde pour chacune des voies). Pour lanalyse des essais, la temprature, laforce et lallongement figurant sur les diffrentes courbes sont des mesures exprimentalesreleves un mme instant par le dispositif dacquisition. Les donnes sont stocks parlintermdiaire dun PC sur CD-ROM.


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2.e. Exemples de char gements

2.e.1. Exemples de chargements thermiques

Nous prsentons titre dexemples figure 23, 3 chargements thermiques dont lesvitesses de refroidissement correspondent aux valeurs limites de 10C/s, 3C/s et 0.15C/s,cycles pilots au refroidissement par dbit dazote pour les deux premiers et effet Joule pourle dernier. Les maxima des carts de temprature mesurs aux bornes de la zone utile de15mm et pour une base de 10 mm, sont donns pour les trois vitesses de refroidissementprsentes. Ces carts sont relativement importants et pourraient tre amoindris en diminuantla taille de la zone de mesure notamment dans le cas des vitesses de refroidissementcomprises entre 10C/s et 0.3C/s.

Figure 23 : Exempl es de charg ement thermi que - Maxima des carts de T mis en jeu sur 10 et 15 mm

Vr = -10C/s

Vr = -3C/s

Vr = -0.15s


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2.e.2. Exemple de chargement thermo-mcanique

La figure 24 prsente un exemple de chargement thermo-mcanique. Le cycle estpilot force nulle jusqu une temprature dfinie par loprateur , temprature laquelleune charge de 1523 DaN est applique ici, avec une vitesse de mise en charge de 1000DaN/s. Le cycle thermique comporte une monte en temprature 80C/s en moyenne et unrefroidissement dfini par une vitesse linaire de 10C/s entre 700C et 400C. La mesuredallongement est effectue par lextensomtre.

Figure 24 : Exempl e de charge ment

La figure 25 montre la bonne reproductibilit entre deux cycles successifs avec et sanscontrainte au cours de la transformation :

Figure 25 : Exempl es de dilat omtri e avec et sans contrai nte appliq ue pendan t la tra nsforma tion


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2.f. Vue de nsemble du disp ositif

La figure 26 prsente une vue densemble du dispositif dont on rappelle les principauxlments et leur rle.

exte

nsom

tre

App

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ion

d'un

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ion)

/


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2.g. Conclusion

Un dispositif spcifique a t conu afin de pouvoir raliser des cycles thermiques etmcaniques correspondant aux chargements raliser en vue de caractriser les quatreprincipales consquences mcaniques des transformations de phase de la Z.A.T..

Le chargement thermique est caractris par :

- une vitesse de monte en temprature ralise par effet Joule leve (de lordre de 125C/s)jusqu la temprature maximale de 100C voire plus

- une vitesse de refroidissement pilote par dbit dazote ou effet Joule permettant dobtenirles constituants mtallurgiques existant dans la Z.A.T. pour le 16MND5 (cf chapitre 4)

Pour les vitesses de refroidissement retenues (cf chapitre 4), la taille de grainaustnitique est reprsentative de celle obtenue dans la Z.A.T. lors dune opration desoudage relle. Les vitesses de refroidissement sont linaires de sorte constituer lediagramme T.R.C. de lacier pour la mise en donnes ultrieure dans un code de calculs visantdes applications de type industrielles.

Par ailleurs, un chargement uniaxial de traction ou compression (linaire parmorceaux) pilot en force ou en dplacement, et un chargement force impose nulle peuventtre appliqus pendant un mme cycle thermique.

Des mesures de temprature, dallongement et de tension sont effectues dans la zoneutile o la temprature est uniforme. La force applique sur lprouvette est galementmesure.

3. Caractrisation de lacier 16MND5

3.a. Introduction

Dans cette partie, sont explicites les spcificits de lacier 16MND5 tudi dont, entreautres, le phnomne de sgrgations. Cette particularit du matriau a t analyse par EDF[LEB93] en ce qui concerne ltablissement de diagrammes T.R.C.. Par ailleurs, Desalos[DES81] a not un effet non ngligeable du choix du sens de prlvement sur lecomportement dilatomtrique et de plasticit de transformation.

Le choix est fait dtablir le diagramme T.R.C. de lacier dont nous disposons et surlequel seront raliss les simulations sur disque faisant lobjet de la troisime partie, de sorte apprcier au mieux la validit des modles de comportement thermomcaniques engendrspar les transformations de phases.

De plus, les rsultats de Desalos ayant mis en vidence lanisotropie du matriau aucours dessais de dilatomtrie libre et avec transformations sous contrainte, une tude estconduite afin danalyser le caractre anisotrope du matriau froid et chaud , aucours dessais de dilatomtrie libre.


79

3.b. Etat de li vraison - Mise en vidence du phno mne de sg rgations

3.b.1. Provenance et tat de livraison

Selon les informations fournies par M. Debergh (EDF.DER.EMA), cette tle fourniepar Creusot Loire Industrie provient dune coule de 60 Tonnes dont il a t tir deux lingotsde 15 Tonnes ayant conduit la fabrication de 2x2 tles de 200 mm dpaisseur dont celle surlaquelle nous travaillons. Cette tle a subi une austnitisation de 5 heures 15 900C suiviedune trempe leau par immersion, puis dun revenu de 6 heures 635C.

Des analyses faites en diffrents points de la tle ont conduit aux fourchettes decomposition moyennes suivantes (% en masse) :

C Si Mn Ni Cr Mo Al Sn S P N0.196 0.22 1.51 0.63 0.19 0.51 0.021


80

t le b ru te d e la m in a ge ( p a isse u r 2 0 0 m m )

p ro u ve tte d e 5 0 x 5 0 x 2 0 0 m m

d irec tio ntransversa le

d irec t io n d e lam inag e

Figure 27 : Prlvement de lchantillon pour lanalyse microstructurale

Lanalyse des rsultats prsents figure 28 nous amne conclure que les veines sontprsentes partout, mais quelles sont moins marques prs de la surface quau coeur de la tle.Toutefois, les observations ne sont pas rigoureusement symtriques dune face lautre. Alorsque les veines sont trs peu apparentes prs des faces, elles sont seulement attnues parrapport celles observes au coeur de la tle sur lautre face. Au coeur de la tle, la taille desveines peut atteindre 1 2 mm de longueur et environ 1/10 mm dpasisseur. Leur proportiondans cette zone est de lordre de 30% en volume.

La microduret moyenne dans les veines est de lordre de 250 HV0.2 et dans les zoneshors veines de 200 HV0.2 (cf tableau 2). La microstructure dans les veines apparat plus fine etplus homogne que dans les zones hors veines. La microstructure dans les veines pourraitcorrespondre une bainite (suprieure ou infrieure) voire une martensite revenue, et celledans les zones hors veines, une bainite granulaire revenue voire un mlange de ferrite etbainite revenue.

HV0.2 I A I B II C II D III E III F IV G IV H V I V Jzone claire 207 204 203 194 180 200 192 201 193 220

sgrgations 250 246 265 255 250 251 246 253 260 240

Tableau 2 : Valeurs des microdurets HV 0.2 dans les zones sgrges et hors de celles-ci


81

Figure 28 : Rsultats de lanalyse microstructurale

En conclusion, des sgrgations apparaissent dans toute lpaisseur de la tle defaon variable, mais en moyenne, elles sont plus marques au coeur que sur les facesinfrieures et suprieures de la tle.

260m


82

3.c. Transformation au refroidissement de lacier 16MND5

Le diagramme TRC tabli lENSAM par Lebec et Massoud [LEBE93] (figure 29 ) afourni une premire estimation des vitesses de refroidissement ncessaires pour produire lestransformations mtallurgiques souhaites.

Figure 29 : Diagramm e TRC de l acier 18MND5 [LEBE93]


83

Toutefois, lacier dont nous disposons est plus riche en carbone et lments daddition.Ceci a tendance dcaler le domaine de transformation martensitique vers des tempraturesplus basses et dcaler le domaine ferrito-perlitique vers des vitesses de refroidissement pluslentes.

Des essais de dilatomtrie sont donc raliss compte tenu des informationsprcdentes, afin de connatre les domaines de transformation au refroidissement.

Les cycles thermiques appliqus aux prouvettes ont une vitesse de monte entemprature de 80C/s une temprature maximale de 1100C et une vitesse derefroidissement de -10C/s -0.1C/s, voire moins. Le tableau 3 rsume lensemble desrsultats obtenus (les courbes dilatomtriques sont fournies en annexe 4, en distinguant leszones sgrges (veines) et les zones hors veines. Des planches sont fournies dans lannexe 5montrant les microstructures obtenues pour diffrentes prouvettes.

Type de transformation martensitique bainito-martensitique bainitiqueVitesse de

refroidissement -10C/s -3C/s -0,3 -0.1C/s

Veines, coeur M M BHV0.2 = 607 HV0.2 = 550

zone hv, coeur M B BHV0.2 = 470 HV0.2 = 300

Veines, en peau M M+ B HV0.2 = 460 Bavec M majoritaire

zone hv, en peau M M+B HV0.2 = 290 Bavec B majoritaire

En peau : Ms ~ 390C Tdb. transf. B ~ 500C Tdb. transf. B ~ 535Cp. prleveslongitudinalt

Mshv ~Msv Tfin transf. B ~ 360C

MsV ~ 360C HV0.2 = 260 290Chevauchement desdomaines de transf. B dansles zones hv et M lesveines.

A coeur : Ms ~ 420C Tdb. transf. B~ 510-520C

Tdb. transf. B ~ 565C

p. prleves transvt etlongitudinalt

Mshv > MsV Tfin transf. B~ 370-380C

Impossible dedistinguer la transf.dans les V et HV

MsV ~ 370-380C car tout devient B

prouvettes prlevestransversalement

Proportions100% M 30 % M (v) - 70% B (hv) 100% B

v : veineshv: hors veinesMs : temprature de dbut de transformation martensitiqueM : martensiteB : bainite

Tableau 3 : Dfinition des tempratures de transformations et des durets finales pour diffrentes vitesses de refroidissement de lacier 16MND5


84

Au coeur de la plaque, le matriau hors veines est plus pauvre en carbone que lematriau hors veine en peau. Les veines sont plus riches en carbone au coeur de la tle quenpeau. Ceci conduit des diffrences de temprature de transformation entre ces deux zones.

Par ailleurs, on remarque que mme pour une vitesse de refroidissement relativementfaible (-0.15C/s), la transformation demeure totalement bainitique. La vitesse derefroidissement de 3C/s conduit un mlange particulier car trs inhomogne : totalementmartensitique dans les veines et bainitique dans les zones hors veines. Dautres vitesses derefroidissement ont t considres de sorte obtenir des mlanges martensite-bainite endiffrentes proportions. En particulier, deux autres vitesses de refroidissement sont retenues :7C/s et 5C/s. Ces vitesses conduisent des mlanges denviron 75% M-25 % B et, 50% M-50%B environ. Il est noter les difficults de reproductibilit pour la vitesse derefroidissement de 7C/s qui correspond la position du nez bainitique .

En conclusion, 5 vitesses de refroidissement sont retenues suite ces essaisprliminaires conduisant des transformations totalement bainitique et totalementmartensitique ou encore des mlanges martensite-bainite en diffrentes proportions. Parailleurs, le comportement en peau et au coeur de la plaque diffre compte tenu de larpartition des sgrgations travers lpaisseur de la plaque. Les zones sgrges ont uneduret plus leve que les zones hors veines, moins riche en carbone, do des diffrences delimite dlasticit entre ces deux zones non ngligeables.

3.d. Orthotropie mca nique du ma triau

3.d.1. Essais de traction froid

Des essais de traction monotone ont t raliss sur des prouvettes prleves au bordou au milieu de la plaque, en peau ou mi-paisseur de la plaque suivant diverses directions.

Ces essais nont pas permis de mettre en vidence un caractre anisotrope du matriau,quelque soit limportance des zones sgrges et le sens de prlvement (sens de laminage ouperpendiculairement au sens de laminage). On note les valeurs du module dYoung et de lalimite dlasticit 0.2% de dformation plastique, qui valent respectivement 200000 MPa et490 MPa.

Il reste analyser linfluence de ces deux facteurs sur le comportement chaud desprouvettes, notamment par des essais de dilatomtrie.

3.e. Essais de dilato mtrie libre

3.e.1. Mise en vidence de la prsence de contraintes internes

Aprs un cycle dilatomtrique, une dformation rsiduelle est observe. Cettedformation est positive pour les prouvettes prleves transversalement la tle et ngativepour les prouvettes prleves suivant la direction de laminage de la tle


85

.

Figure 30 : Mise en vidence des contraintes internes - cycles dilatomtrique vitesse de refroidissementde -10 C/s entre 700 C et 400C pour :

a) prouvette prleve transversalement la plaqueb) prouvette prleve longitudinalement

Ce comportement est not sur toutes les prouvettes testes et pour diverses vitessesde refroidissement (annexe 4). Lallongement rsiduel un cycle de dilatomtrie avecaustnitisation est systmatique que les prouvettes soient plus ou moins fortement sgrgeset ceci, pour les diverses transformations. De plus cet allongement est constat lorsque lescompositions mtallurgiques initiale et finale (engendre par la transformation aurefroidissement) sont identiques. Cet allongement se cumule pour chaque essaidilatomtrique mais tend diminuer avec un nombre de cycles important.

Cela nous amne penser que le laminage joue un rle important sur le comportement chaud des prouvettes. En effet, la microstructure subit une modification importante lors dulaminage : les grains sont dforms et prennent une forme tire suivant sa direction.Ainsi, les prouvettes prleves longitudinalement (suivant la direction de laminage), o lesgrains sont tirs suivant la direction axiale, se contractent lors du cycle dilatomtrique : lesgrains tendent retrouver leur gomtrie quiaxe dquilibre stable. Les prouvettestransversales, quant elles, auraient tendance sallonger.


86

Desalos avait attribu ces diffrences la direction des bandes sgrges (direction delaminage) qui se comportent comme des zones en retard de transformation do une scissionentre les zones sgrges et non sgrges.

Nous ne pouvons conclure sur leffet des zones sgrges cette tape de lanalysemais nous pouvons toutefois affirmer que le comportement dilatomtrique (en terme dedformations) du matriau dpend de la direction de prlvement des prouvettes par rapport la direction de laminage.

3.e.2. Effet dun recuit

* Cas dune prouvette prleve transversalement

Les essais de mise au point raliss sur une mme prouvette prlevetransversalement ont rvl quun cyclage thermique avec austnitisation permet dattnuerfortement voir dliminer la dformation rsiduelle. Il en est de mme pour un maintien de 15minutes 1000C.

La figure 31 prsente une courbe dilatomtrique avant et aprs maintien 1000Cpendant 15 minutes.

Figure 31 : essa i de di latom trie a vant et apr s recui t

Aprs recuit , lallongement rsiduel est quasi-nul (+ ou - 0.026% de dformationrsiduelle) pour les diffrentes vitesses de refroidissement et pour la majorit des prouvettes.


87

* Cas dune prouvette prleve longitudinalement en peau

Trois recuit successifs de 15 minutes, et deux fois 30 minutes nont pas conduit uneannulation de lallongement rsiduel successif un cycle dilatomtrique pour deux vitesses derefroidissement (10C/s et 3C/s).

Aprs recuit, les analyses micrographiques effectues ont montr que les sgrgationssubsistent. Toutefois, leffet anisotrope li au laminage se voit effac par cette procduredans la direction de prlvement transversale la plaque.

Remarque R5 : Leffet du recuit na t test que sur une seule prouvette prlevelongitudinalement et il faudrait confirm ce rsultat par dautres essais.

Remarque R6 : Le traitement thermique nest pas ncessaire pour les prouvettes refroidies 0.3C/s, le cycle tant suffisamment lent dans ce cas pour produire un effet similaire autraitement thermique.

3.e.3. Conclusion

Un traitement thermique permettant dannihiler au mieux le caractre anisotrope du16MND5 au cours dun cycle dilatomtrique est tablie pour les prouvettes prlevestransversalement la plaque. Les sgrgations subsistent malgr le traitement thermique :lexplication de Desalos selon lequel les sgrgations seraient responsables de lallongementrsiduel du fait du retard des transformations dans les zones sgrges est donc remise encause. Leffet mmoire du matriau li au laminage semble tre responsable de lallongementrsiduel un cycle dilatomtrique. Il faudrait par ailleurs confirmer que le mme traitementthermique permettrait deffacer galement lallongement rsiduel pour les prouvettesprleves longitudinalement, ce qui ntait pas le cas pour la seule prouvette teste.

3.f. Conclusion

Le 16MND5 comporte des sgrgations plus ou moins importantes suivant lpaisseurde la plaque. En peau, ces sgrgations sont moins marque (moins riches en carbone et autreslments daddition). Toutefois, la composition chimique moyenne est constante quel que soitlendroit o lon se place. De plus, ces sgrgations sont orientes suivant la direction delaminage.

Au coeur de la tle, les zones hors veines et les veines se transforment pour destempratures diffrentes alors quen peau, les carts de temprature de transformations sontamoindries. Le diagramme T.R.C. est tabli pour des prouvettes prleves en peau et aucoeur de la tle pour les vitesses de refroidissement conduisant des compossmtallurgiques identiques ceux de la Z.A.T..

Aucune diffrence du comportement nest note lors des essais de traction froidraliss sur le matriau de base.


88

Leffet mmoire du matriau suite au laminage semble permettre dinterprter lesallongements rsiduels obtenus au cours des essais de dilatomtrie, allongement positif pourles prouvettes prleves dans la direction transversale (perpendiculaire au sens de laminage)et ngatif pour les prouvettes prleves dans la direction longitudinale (sens de laminage).Cet effet semble sannuler aprs recuit de lprouvette lorsque celles-ci sont prlevestransversalement (maintien de 15 minutes 1000C).

Malgr les diffrences de tempratures de transformation associes aux diffrences decompositions chimiques entre veines et zones hors veines au coeur de la plaque, il est choisi,conjointement avec EDF, de conduire les essais de la base de donnes avec des prouvettesprleves transversalement la tle, cest--dire dont la zone utile est situe en plein coeur dela tle et les zones sgrges perpendiculairement la direction des contraintes appliques.Ceci permettra en effet de raliser les essais de dilatomtrie sans allongement rsiduel aprs recuit (maintien de 15 minutes 1000C). Il n y aura donc plus deffets danisotropievenant polluer les rsultats cherchs en vue de valider les modles.

4. Essais de dilatomtrie libreCas des transformations totalement martensitique et totalement bainitique

4.a. Dfinition des c hargements raliser

Les essais de dilatomtrie sont raliss avant recuit (15 minutes 1000C) de sorte tudier le comportement du matriau rel . Les prouvettes subissent toutefois un cycleavec austnitisation prliminaire de sorte ce que toutes partent de conditions initialesidentiques (ce qui nest pas le cas a priori, la tle dans laquelle sont prleves les bauchesdestines lusinage des prouvettes tester ayant refroidi plus rapidement sur les bordsquau centre). Les mmes prouvettes subissent un cycle dilatomtrique aprs recuit de sorte caractriser le comportement du matriau aprs avoir effac les effets du laminage (cfchapitre 3).

Un cycle dilatomtrique comporte une monte en temprature 80C/s jusqu1100C sans maintien cette temprature. Pour les tempratures suprieures 900C, lavitesse de refroidissement nest pas pilote et vaut environ 7C/s de telle sorte que lesconditions daustnitisation soient identiques pour tous les cycles. La vitesse derefroidissement est quasi-constante depuis 800C environ et durant toute la dure de latransformation, except pour la transformation martensitique pour laquelle le pouvoirrfrigrant de lazote et de lair ne suffit pas maintenir la vitesse constante en dea de400C. Toutefois, cela a un effet ngligeable du fait que cette transformation soitprincipalement fonction de la temprature. De plus, la vitesse de refroidissement 200C vautencore 7C/s environ : il n y a donc pas de modification significative de la nature de lamartensite obtenue par rapport une martensite obtenue avec une vitesse de refroidissementde 10C/s jusqu lambiante. Des essais prliminaires ont permis de dfinir les diversesvitesses de refroidissement conduisant aux compositions mtallurgiques souhaites (cfchapitre 3). En ce qui concerne la transformation totalement martensitique, elle est obtenuepour une vitesse de refroidissement de -10C/s entre 800C et 400C. Quant latransformation totalement bainitique, elle est obtenue pour une vitesse de refroidissement de-0.3C/s entre 820C et 100C.


89

Il est noter que des chargements de plasticit de transformation sont appliqus auxprouvettes aprs chaque cycle de dilatomtrie libre mais que les charges appliques sontsuffisamment faibles en ce qui concerne les cycles avant recuit (infrieures la limitedlasticit du matriau la temprature dapplication de la charge), de sorte ce que le recuit efface la dformation de plasticit de transformation du cycle prcdent.

Les chemins de chargement sont donc dfinis figure 32.

tem ps

T em prature

tem ps

dbut de tran sform ation

tem ps

tem pstem ps

dbut de tran sform ation dbut de tran sform ation

C har gem ents avec cycl es avant et apr s r ecui t

Char gem ents avec cycles uni quem ent ap r s r ecui t2

homognisation -- dilatomtrie --plasticit de transformation -- recuit -- dilatomtrie -- plasticit de transformation

recuit ----dilatomtrie ----- plasticit de transformation

Figure 32 : Chargements thermomcaniques


90

4.b. Rsultats dun essai de dilatomtrie libre

Les rsultats exprimentaux dun essai de dilatomtrie sont prsents sur la figure 33(a) donnant L = f (T) , la temprature et lallongement tant enregistrs en fonction du tempsaux mmes instants (b). Il sagit de dterminer, partir de cette courbe, les coefficients dedilatation thermique moyen, la dformation lie la diffrence de compacit des phases et lesproportions volumiques de chacune des phases en prsence en fonction de la temprature.

Figure 33 : Rsultat s du n essai de dilat omtri e libre

4.b.1. Coefficients de dilatation des phases

Compte tenu du retard due linertie de mesure de lextensomtre au dbut du cyclethermique et des erreurs de mesures, le coefficient de dilatation moyen ne fournit pas uneinformation trs prcise. Par contre, une approximation linaire par la mthode des moindrescarrs de lallongement au cours du refroidissement fournit un coefficient de dilatationconstant avec une bonne prcision. En effet, lerreur commise en faisant cette approximationentrane une erreur sur la dformation qui est infrieure lerreur lors des mesures (1.25%).

Nous avons choisi dvaluer les coefficients de dilatation constants au chauffage surles plages de temprature suivantes : entre 100C et 720C (< Ac1) et entre 100 et 200C.

Le coefficient de dilatation des phases ferritiques est galement dtermin entre 200Cet 100C au refroidissement, plage de temprature pour laquelle la transformation estsuppose tre quasi-acheve. Ce coefficient de dilatation est compar au coefficient dedilatation au chauffage.


91

Le tableau suivant fournit les rsultats obtenus sur lensemble des essais :

COEFFICIENT DE DILATATION (10 -6)

AU CHAUFFAGE AUREFROIDISSEMENT

100C < T


92

infrieures 800C) ; il faut donc un certain temps pour que les gradients prsents au sein dela zone deviennent stationnaires.

4.b.3. Diffrence de compacit des phases

La diffrence de compacit entre austnite et phases filles est obtenue 20C et, 600C ou 650C respectivement pour les cycles conduisant une transformationmartensitique ou bainitique.

La diffrence de compacit 20C est obtenue en considrant le coefficient dedilatation des phases ferritiques au refroidissement et par extrapolation linaire de la courbede dformation de laustnite au refroidissement jusqu 20C. Il est noter que cette valeurinclut la dformation lie aux contraintes internes lors de la transformation lorsquil y a unallongement rsiduel et ne correspond donc pas la dformation lie la diffrence decompacit des phases seule.

Les plages destimation des coefficients de dilatation sont celles choisies dans leparagraphe prcdent.

La diffrence de compacit 600C ou 650C suivant la nature de la transformation,est obtenue en faisant la diffrence des dformations thermiques des phases ferritiques auchauffage et de laustnite au refroidissement pour ces mmes tempratures.

Le tableau suivant donne les valeurs moyennes de pour les tempratures de 20C,600C et 650C avec leur cart type :

(20C) x 103 (600C) x 103 (650C) x 103

valeur moyenne 10.82 4.83 4.57cart type 1.85 0.23 0.58

4.b.4. Proportions de phases formes au refroidissement

Principe

Lexpression de la dformation thermique , au cours dun refroidissementconduisant des transformations, est donne par la loi des mlanges linaire suivante :

th (Z,T) = (1- Z ii =

1

3

) [ ( T - T ) + ] + ( Zii =

1

3

) ( )

avec

Z, proportion volumique des phases ferritiques Z, proportion volumique de la phase austnitique. Z = 1- Z Zi, i=1 3 proportions respectives de martensite et bainite et , coefficients de dilatation thermique moyens respectifs des phases et pour les

tempratures de rfrences respectives T et T.


93

traduit la diffrence de compacit entre les structures cubiques centres desphases ferritiques (martensite et bainite) et cubiques faces centres de la phase austnitique, la temprature T.

Le coefficient de dilatation de laustnite est dtermin entre 600C et 450C dans lecas dune transformation martensitique. Dans le cas de la transformation bainitique, uncoefficient de dilatation constant de laustnite est valu entre 700 C et 600C aurefroidissement pour le calcul des proportions au refroidissement.

Compte tenu de la diffrence significative de pentes releve entre le chauffage et lerefroidissement et de lallongement rsiduel au cycle dilatomtrique avant recuit, deuxmthodes sont utilises pour calculer les proportions Zi (T).

La premire consiste ajouter lallongement rsiduel la courbe de chauffage de sorte dterminer une nouvelle valeur de 600C, de sorte obtenir effectivement 100% dephase forme au cours du refroidissment (figure 34). On utilise dans ce cas, lescoefficients de dilatation des phases ferritiques tablis au chauffage.

La seconde consiste dterminer 20C au refroidissement en utilisant les valeursdes coefficients de dilatation dtermins au refroidissement entre 200 et 100C pour lesphases ferritiques et en extrapolant la courbe des dformation de laustnite jusqu 20Cau refroidissement (figure 35).

Figure 34


94

Figure 35

Rsultats

La figure 36 fournit un exemple de courbes estimant les proportions de phase formeau refroidissement par les deux mthodes prcdemment dcrites.

Proportions volumiques de phases ferr itiques formes au refroidissement( Vr = -10C/s ; procdure D )

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

100 200 300 400 500 600

Temprature (C)

Zi

814D

homognisation ---- dilatomtrie ---- plasticit de transformation ---- recuit ---- dilatomtrie ---- plasticit de

Zi(T) AV

+ y /2 = + 70 MPa

b

a

+ y /2 = + 70 MPa

Figure 36

Des carts sont relevs concernant les deux mthodes de dtermination.

Dans le cas a), les proportions sont estimes partir des coefficients de dilatation

estimes au refroidissement et du 20C. Dans ce cas, on force la transformation tre complte pour 20C puisque la temprature de rfrence choisie pour la phase ferritiqueest 20C. Dans le cas b), ce sont les coefficients de dilatation au chauffage qui sont utiliss et


95

est dtermin 600C, ce qui force la transformation ne dbuter quaprs 600C aurefroidissement.

Il reste dterminer si ces carts sont significatifs ou non pour la dtermination de ladformation de plasticit de transformation en fonction de lavancement de la transformation.

Par ailleurs, les essais dont la vitesse de refroidissement vaut 10C/s ne conduisentpas tous une transformation totalement martensitique. On peut obtenir jusqu 20% debainite parasite . Toutefois, il semble que cela ait peu deffet sur le niveau de dformationde plasticit de transformation rsiduelle.

4.b.5. Points de transformation

Ils sont obtenus partir des courbes de proportions au refroidissement tabli commedfini ci-dessus. On prend comme temprature de dbut de transformation la temprature pourlaquelle 1% de phase est estim tre form. Toutefois, dans le cas des essais 10 C/s, Ms nepeut tre dtermin par cette mthode, un pourcentage parasite de bainite tant galementform. Dans ce cas, Ms est dtermin comme tant la temprature partir de laquellelvolution de la transformation est fortement acclre comme le montre la figure 37.

Pour la plupart des essais, Ms vaut environ 390C. On ne note pas de diffrence detemprature de dbut de transformation martensitique suivant le taux de bainite obtenu quidemeure faible. La transformation se poursuit jusqu des tempratures relativement bassesde lordre de 150C 100C dans le cas o les proportions au refroidissement sont estimesrespectivement avec le coefficient de dilatation dtermin au refroidissement ou au chauffage.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

temprature (C)

Zi

88J

Zi(T) ATCAP

Ms

Figure 37: Dterminatio n de Ms

En ce qui concerne les essais avec 0.3C/s comme vitesse de refroidissement, latemprature de dbut de transformation bainitique est de 575C pour la plupart des essais.On note toutefois une dispersion de cette valeur pouvant atteindre 580C ou encore 565Ccompte tenu des diffrences de composition dun spcimen lautre. La temprature de fin detransformation bainitique vaut 395C environ.


96

4.c. Conclusion

Est explicite dans cette partie, la dtermination des paramtres introduire pour lamodlisation de la dformation thermomtallurgique :

le coefficient de dilatation des phases le coefficient de dilatation de la phase austnitique la diffrence de compacit entre phases et la temprature considre les proportions de phase(s) formes au refroidissement

On note que la vitesse de refroidissement de 10C/s ne conduit pas toujours unetransformation totalement martensitique et quun pourcentage parasite de bainite, pouvantatteindre jusqu 20% est parfois form, pourcentage quil faudra prendre en compte dans lasuite de lanalyse. De plus, il semblerait que la transformation martensitique se poursuivedans les zones sgrges jusqu des tempratures trs basses (proches de la tempratureambiante).

5. Essais de dilatomtrie avec transformation souscontrainte

Cas des transformations totalement martensitique et totalement bainitique

5.a. Spcification des char gements appliquer

Les essais de plasticit de transformation sont raliss pour les 2 vitesses derefroidissement retenues pour les essais de dilatomtrie libre (10C/s et 0.3C/s).

Essais raliss avant recuit :

3 niveaux de contraintes de traction correspondant y/4, y/2 , 3y/4. y est la limitelastique de laustnite la temprature dapplication de la charge soit respectivement 140MPa 420C dans le cas dune vitesse de refroidissement de 10C/s conduisant unetransformation majoritairement martensitique, et 95MPa 600C dans le cas dune vitessede refroidissement de 0.3C/s conduisant une transformation bainitique.

2 et 3 niveaux de contraintes de compression correspondant y /4, y/2, et 3y /4 (dans lecas de la transformation martensitique uniquement)

Essais raliss aprs recuit :

les mmes niveaux de contrainte sont appliqus ainsi quun essai + y .La charge est applique une vitesse de 1000 MPa/s. Elle est maintenue constante

pendant toute la dure de la transformation.

Le tableau suivant donne, pour chaque vitesse de refroidissement Vr, la temprature dedbut de transformation Td et la temprature de fin de transformation Tf, la charge gale lalimite lastique de laustnite Td, et la dformation lastique engendre par lapplication decette charge Tf et 20C, le module dYoung E tant considr fonction de la temprature[DUP94].

Vr (C/s) Td (C) Tf (C) yaust (Td) MPa e (Tf) % e (20C) %10 420 150 144 0.073 0.0700.3 565 250 104 0.055 0.051


97

Il n y a pas de diffrence significative entre les dformations lastiques engendres parune charge gale +y la temprature dapplication de la charge, 20 C ou Tf. Parconsquent, la dcharge se fait la temprature ambiante la mme vitesse que la chargepour les diffrentes vitesses de refroidissement tudies.

5.b. Analyse dun essai de dilatomtrie a vec transformation sous contrainte

La dformation totale est donne en fonction de la temprature (figure 38a), partirdes enregistrements de la temprature et de lallongement en fonction du temps (figure 38b).Cette dformation inclut la dformation thermique sur toute la dure du cycle (y compris ladformation lie la diffrence de compacit des phases), et les dformations dues la chargeapplique, dformations lastique et de plasticit de transformation (et de plasticit et fluageventuellement), cumules la dformation thermique sur la partie du cycle thermique o lacharge est non nulle.

Il sagit de dterminer, entre autres, partir de cette courbe, la dformation deplasticit de transformation suivant la temprature et lavancement de la transformation, denoter les ventuels effets parasites de la charge, et de noter le rapport entre la contrainteapplique et la dformation de plasticit de transformation introduire dans les modles deplasticit de transformation.

Figure 38 : Rsultat s des essais de dil atomtr ie sous cont rainte

5.b.1. Dtermination de la dformation de plasticit de transformation

Afin de ne considrer que leffet de la plasticit de transformation, on retranche, lacourbe exprimentale donnant la dformation totale en fonction de la temprature, lesdformations lastique, thermomtallurgique, plastique et ventuellement de fluage.


98

* Dtermination de la dformation thermique

Hypothse H1 : La charge applique a peu deffet sur lavancement de latransformation, et la dformation thermomtallurgique engendre est identique cellede lessai de dilatomtrie libre. Cette hypothse sera restreinte aux essais faiblesniveaux de charge appliqus ( y/2) sil savre que la cintique de la transformationest modifie de manire notable par lapplication de la charge. Dans ce cas, on ne pourrapas conclure sur lavancement de la dformation de plasticit de transformation enfonction de la cintique de transformation pour les charges de niveaux plus leves.

* Dtermination de la dformation lastique

La dformation lastique est donne par E

avec :

* = FS0

avec F, force mesure et S0, section initiale de lprouvette.

* E(T), module dYoung en fonction de la temprature [DUP94]. Cette grandeur ne fait paslobjet dune campagne dessai, les divers rsultats tablis par ailleurs prsentant peu dedispersion. Les donnes du RCC-M fournissent ces valeurs jusqu 600C et celles deFRAMATOME, au-del.

* Dtermination des dformations plastiques et de fluage

Elles sont dtermines de telle sorte ce quil n y ait pas de diffrence entredformations totale et thermique aprs la fin de la mise en charge et avant le dbut de latransformation. On considre que le fluage est ngligeable en dessous de la temprature de finde mise en charge.

Toutefois, cette analyse savre trs dlicate notamment dans le cas de latransformation martensitique o la vitesse de refroidissement rapide rend difficile ledcouplage des effets dus la mise en charge et par ailleurs, o la transformation nest pastoujours totalement martensitique (pourcentage de bainite parasite).

5.b.2. Estimation du facteur K

On rappelle que lexpression de la dformation de plasticit de transformation estgnralement donne sous la forme suivante :

pt ijK f z g= ( ) ( )

o, K est un paramtre homogne linverse dune contraintef(z) est une fonction de la phase transforme (z) telle que f(0) = 0 et f(1) = 1g(j) est une fonction de la contrainte appliqueLa connaissance de la dformation de plasticit de transformation finale (pt rsiduel) et

du niveau de charge appliqu permet donc dtablir le facteur K selon lexpression :

K =

pt r siduel


99

5.b.3. Dtermination de la fonction f(z) et comparaison avec les expressionsdonnes par Leblond et Desalos

La fonction f(z) est estime partir des expressions rappeles au paragraphe prcdent

soit : f(z) =

pt residuel

pt

Elle est compare aux expressions donnes par Leblond et Desalos :

f(z) = z (1-lnz) Leblond

f(z) = z (2-z) Desalos

5.c. Rsultats des essais de dilato mtrie a vec transformation souscontrainte : cas de la transformation quasi-totalement mar tensitique

Les diffrents rsultats prsents ici sont tablis sous rserve de vrification desdiffrentes hypothses dfinies dans le paragraphe 5.b..

5.c.1. Dtermination de la dformation de plasticit de transformation mise en jeuau cours de lessai

La dformation de plasticit de transformation est obtenue en faisant la diffrenceentre la dformation totale obtenue au cours du cycle dilatomtrique avec transformation souscontrainte et les dformations lastique et thermomtallurgique (estime partir du cycle dedilatomtrie libre) (figure 39).

La dformation de plasticit de transformation est estime en fonction delavancement de la transformation pour les niveaux de contrainte infrieurs ou gaux y/2.On fait lhypothse que la contrainte a peu deffet sur la transformation et que le fluage estngligeable pour ces niveaux de contrainte. Seules les valeurs de plasticit de transformationfinales ( 100C) sont releves pour les essais raliss avec des charges appliques plusleves.


100

-0.5

-0.3

-0.1

0.1

0.3

0.5

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Temprature ( C)

(Df

orm

atio

n) x

10

2dformation totale

dfo rmation thermique releve aucours du cycle dilatomtr iqueprliminairedfo rmation last ique

dfo rmation de plast icit detransformat ion

pt = tot - th - elas- y /4 = -35 MPa

Figure 39 : dtermina tion de la dforma tion de plastici t de transfor mation pou r une char ge appliqu egale y/4

5.c.2. Estimation du facteur K et de la dformation de plasticit de transformationfinale

La dformation de plasticit de transformation mise en jeu au cours de lessai note pt

1 est estime en faisant la diffrence entre la dformation totale et les dformations

thermomtallurgique (obtenue au cours du cycle dilatomtrique prcdent) et lastique.

Pour certains essais, la charge est applique tardivement et la transformation a djdbute avant lapplication de la charge ou encore, cest lapplication de la charge elle-mmequi dclenche la transformation (niveaux de charge levs). pt

1 est corrige suivant la

dmarche dcrite ci-dessous :

1. En dterminant la temprature Tf de fin de mise en charge2. En relevant la valeur pt

1 (Tf) et en le soustrayant la valeur pt1 (T) de sorte ce que

pt pt fT T1 1( ) ( ) soit nulle la fin de la mise en charge (remise zro)

3. En estimant les proportions de phase Z0 correspondant Tf ( partir du cycledilatomtrique prliminaire donc il sagit dune valeur approximative) et en calculant la

valeur de la dformation de plasticit de transformation manque ptZ0 0 entre 0 et Z0

comme tant la moyenne des valeurs estimes par :

pt

ZZ

f z dzK Z Z pour Desalos

K Z Z pour Leblond0

0

0 0

0 0

00 2

1 = =

( )( )

( ln( ))


101

Le tableau 4 suivant indique lensemble des valeurs releves au cours des essaisraliss aprs recuit (rsultats donns en valeurs absolues et en % sauf pour K) :

niveau et signede la charge applique

numro de lessai

pt1 pt

1(Tf)

ptZ0 0

(Desalos)

ptZ0 0

(Leblond)

ptZ0 0

moy

Correctionsur

pt finale

= -

pt finaleaprs

correction

pt finalemoyenne

y /4 =35MPa + 0.175 0 0 0 0 0 0 0.175

y /4 + 0.175 0 3 0.0103 0.0236 0.017 0.017 0.16

y /4 - 0.245 0 0 0 0 0 0 0.24

y /4 - 0.18 0 0 0 0 0 0 0.18

y /4 + 0.19 0 5 0.0185 0.0379 0.0282

0.0282 0.22

y /4 - 0.285 0 0 0 0 0 0 0.285

y /2 =70MPa + 0.46 0 0 0 0 0 0 0.46

y /2 + 0.45 0.01 4 0.0352 0.076 0.055 0.045 0.49

y /2 - 0.44 0.44

y /2 - 0.46 0.024 3 0.027 0.062 0.044 0.020 0.48

y /2 + 0.43 0 0 0 0 0 0 0.43

y /2 - 0.59 0 0 0 0 0 0 0.59

109 MPa + 0.78 0.058 4 0.061 0.13 0.095 0.037 0.82

109 MPa + 0.63 0.054 8 0.096 0.177 0.136 0.082 0.71 0.82

109 MPa - 0.88 0.0356 4 0.068 0.148 0.108 0.0724 0.95

109 MPa + 0.76 0 4.7 0.069 0.145 0.107 0.107 0.107

y = 140MPa + 1.34 0.14 11 0.254 0.430 0.342 0.202 1.36 1.36

Tableau 4: Estimation de la dformation de plasticit de transformation finale (T=100C) et du facteur Kpour les essais raliss avant et aprs recuit

Les valeurs de dformations plasticit de transformation finales sont les moyennes desvaleurs obtenues pour les essais aprs recuit, cest--dire pour les essais raliss sur lesprouvettes sur lesquelles on suppose quil ny a pas de contraintes internes lies au laminage.

Les valeurs de K sont du mme ordre de grandeur que celles tablies dans la littraturepour divers aciers pour une transformation martensitique, valeurs comprises entre 0.39 10-4

pour lacier 60NCD11 0.94 10-4 pour lacier Fe- 31 Ni.

essais raliss avant recuit

0.46

0.19


102

Les valeurs de K sont identiques en traction et en compression aprs recuit. Parcontre, les valeurs de K obtenues pour les essais avant recuit sont beaucoup plus leves encompression contrairement aux rsultats de Videau [VID94]. Ceci peut tre d aux conditionsexprimentales et notamment, au choix du sens de prlvement des prouvettes par rapport la direction de laminage. Les contraintes internes jouent un rle non ngligeable sur Kcomme tabli dans la littrature [LEB89-II ; VID94] .

Les valeurs retenues pour K sont les valeurs estimes partir des dformations deplasticit de transformation finales moyennes retenues aprs recuit en traction etcompression ; elles sont prsentes dans le tableau :

Niveau dechargement

35MPa 70 MPa 109 MPa 140 MPa

K (MPa)-1 54 10-4 65 10-4 75 10-4 97.1 10-4

Tableau 5 : Valeur s de K en fonc tion du ni veau de charge appliq u

5.c.3. Evolution de la dformation de plasticit de transformation avec le niveaude la charge applique

La figure 40 prsente lvolution de la dformation de plasticit de transformationobtenue en faisant la somme de la dformation de plasticit de transformation finale obtenueexprimentalement et de la dformation de plasticit de transformation manque (quand lacharge a t applique alors que la transformation avait dj dbute (cf paragrapheprcdent). Lvolution de la dformation de plasticit de transformation finale varie non-linairement avec le niveau de la charge applique, non-linarit dj note au paragrapheprcdent. Par ailleurs, les niveaux des dformations de plasticit de transformation finalesvarient peu avec le signe de la contrainte et sont plus leves quand lessai se droule avantrecuit en compression.

Figure 40 : Evolution de l a dfor matio n de p lasti cit de transfo rmatio n rsid uelle avec le niveau de lacharge appli que norm e par rap port l a limi te dlast icit de l aust nite 450C


103

5.c.4. Fonction f(z)

La fonction f(z) est dtermine pour la transformation martensitique (sans prise encompte de la dformation de plasticit de transformation bainitique). On suppose donc que laproportion de bainite forme a peu deffet sur lvolution de la dformation de plasticit detransformation martensitique en fonction de lavancement de la transformation.

Deux faons de dterminer lavancement de la transformations ont t tablies auchapitre 5 selon que le coefficient de dilatation des phases ferritiques soit estim au chauffageou au refroidissement. La figure 41 montre que cela a peu dinfluence sur lallure delvolution de la fonction f(z) et on choisit arbitrairement de prendre la mthode utilisant lecoefficient de dilatation des phases ferritiques au chauffage.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

proportions de martensite forme (%)

Fon

ctio

n f(

z)

pt / pt residuel avec propo rtions estimes avec le coefficient de dilatation au refroidissement

pt / pt residuel avec propo rtions estimes avec le coefficient de dilatation au chauffage

Figure 41 : Evolution de f (z) selon l a mthode de dtermina tion de lavancement de la trans formati on

La figure 42 compare lvolution de f(z) obtenue exprimentalement avec lesfonctions proposes par Desalos et Leblond. Cette comparaison se limite aux essais dont lescharges appliques sont peu leves (infrieures ou gales y/2) tant donn que leffet de lacharge nest pas pris en compte sur la transformation dans cette approche.

Les fonctions proposes par Desalos et Leblond dcrivent correctement la fonctionf(z). Toutefois, on note une meilleure concordance de la fonction f(z) exprimentale avec lafonction z(2-z) pour la premire moiti de la transformation, et une meilleure concordanceavec lexpression z(1-lnz) au-del. On ne note pas de diffrence significative entre lvolutionde la fonction f(z) au cours dun essai de traction et de compression.


104

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

proportions de martensite fo rm e (%)

Fon

ctio

n f(

z)

+35MPa-35MPa+70MPa-70MPa

z (1- lnz)

z (2-z)

pt / pt res iduel

Figure 42 : Comparais on de la fonction f (z) expri menta le avec les expres sion s de Desalos e t Leblond.

5.d. Rsultats des essais de dilato mtrie a vec transformation souscontrainte : cas de la transformation bai nitique

Comme pour le paragraphe prcdent, les rsultats suivants sont prsents comptetenu des hypothses exposes dans le paragraphe 5.b..

5.d.1. Dtermination de la dformation de plasticit de transformation

La dformation de plasticit est dtermine de manire identique au paragraphe 5.e.1pour les niveaux de chargement infrieurs ou gaux y/2. Pour les niveaux de chargementsplus levs, une dformation anlastique se cumule la dformation totale au cours de lessaiavec transformation sous contrainte. Cette dformation est mise en jeu non seulement aucours de la mise en charge mais aussi avant le dbut de la transformation comme le montre lafigure 43 .

La dformation de plasticit de transformation finale est dtermine en faisant ladiffrence entre la courbe de dformation totale enregistre au cours de lessai avectransformation sous contrainte et la somme des dformations suivantes :

- la dformation thermomtallurgique releve au cours du cycle dilatomtrique prliminaire- la dformation lastique engendre par la charge appliquela dformation anlastique estime sur la courbe de dformation totale comme tant ladformation mise en jeu aprs la mise en charge et ntant pas attribue la transformationbainitique (flche sur la figure). Cette dformation peut tre due la mauvaise dfinition de lalimite lastique de laustnite considre. Il peut encore sagir dun problme li linertie demesure de lextensomtre ou au fluage. Dans cette dmarche, le fluage est donc considrenulle en de de la temprature de fin de mise en charge.


105

Figure 43 : Dterminati on de la dformati on de plas ticit de transformat ion r siduel le

5.d.2. Dformation de plasticit de transformation rsiduelle en fonction du niveauet du signe de la contrainte applique

Lvolution de la dformation de plasticit de transformation finale est prsente sur lafigure 44.

Figur e 44 : Dformatio n de p lastic it de transfo rmatio n rsid uelle en fo nctio n du ni veau de contrain teappliq ue


106

Les dformations de plasticit de transformation finales varient non linairement avecle niveau de la charge applique, non-linarit dautant plus marque que la contrainteapplique est suprieure y/2. Toutefois, cette non-linarit est moins prononce que dans lecas de la transformation quasi-totalement martensitique. Ce rsultat va lencontre de ceux de Desalos qui avait obtenu une volution linairede la dformation de plasticit de transformation finale avec le niveau de la charge applique,et ce, dans le cas dune transformation bainitique anisotherme et pour un acier proche du16MND5 (A533) et des charges appliques relativement leves (42MPa, 85 MPa).

Les dformations rsiduelles de plasticit de transformation sont lgrement plusleves en compression quen traction, ce qui va lencontre des rsultats tablis par Videau[VID94] : le choix du sens de prlvement des prouvettes peut tre la cause de cettediffrence de comportement.

5.d.3. Estimation de K

Le facteur K est obtenu directement par division de la dformation finale dedformation de plasticit de transformation par la contrainte applique.

Les valeurs obtenues sont notes dans le tableau 6.

Charge applique 24 MPa 47 MPa 70 MPa 95 MPaK exprimental

(MPa)-10.71 10-4 0.69 10-4 0.9 10-4 0.94 10-4

Tableau 6 : Estima tion d u fac teur KLes valeurs de K obtenues sont infrieures ou gale (pour le niveau de charge la plus

lev), la valeur tablie par Desalos qui vaut 10-4. Comme mis en vidence prcedemment,la non-linarit est moins marque dans le cas de la transformation bainitique et ne dbutequau del dune charge applique gale y/2 ici (compte de la valeur de la limite lastiquede laustnite considre).

5.d.4. Fonction F(z)

La figure 45 compare lvolution de f(z) obtenue exprimentalement avec lesfonctions proposes par Desalos et Leblond. Cette comparaison se limite aux essais dont les

niveaux de charges appliqus valent y/4, les contraintes suprieures ayant un effet nonngligeable sur la cintique de transformation.

Les fonctions proposes par Desalos et Leblond dcrivent correctement la fonctionf(z). Toutefois, on note une meilleure concordance de la fonction f(z) exprimentale avec lafonction z(2-z) pour lessai de transformation sous charge de compression, et une meilleureconcordance avec lexpression z(1-lnz) pour lessai sous charge de traction.


107

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Prop ortions de bainite forme au refroidisse ment

F(Z

) +24 MPa-24 MPa

z (2-z)

z (1-lnz)

Figure 45 : Comparais on de la fonction f (z) expri menta le avec les expres sion s de Desalos e t Leblond.

5.e. Bilan des rs ultats

Les essais de dilatomtrie avec transformation sous contrainte ont mis en vidence unenon-linarit de la dformation de plasticit de transformation avec la niveau de la chargeapplique. Cette non-linarit est dautant plus marque que le niveau de la charge appliqueest lev (de lordre de la moiti de la limite dlasticit de laustnite la tempraturedapplication de la charge), et est davantage marque dans le cas de la transformationmartensitique. Cela peut tre d au fait que la martensite est une phase beaucoup plus dure que laustnite et que la bainite, et que la transformation martensitique sous contrainte soitsusceptible de mettre en jeu le mcanisme de plasticit de transformation de Maggee pour lesniveaux de contraintes leves [GAU89].

En posant pt = K f(Z) , on obtient la valeur de K= pt finale / en se plaant ltatfinal (Z=1)

Les valeurs de K retenues sont les suivantes :

Transformationmartensitique


K exprimental (MPa)-1 0.54 10-4 0.65 10-4 0.75 10-4 0.97 10-4

Transformationbainitique

24 MPa 47 MPa 70 MPa 95 MPa

K exprimental (MPa)-1 0.71 10-4 0.69 10-4 0.9 10-4 0.94 10-4


108

Il est noter que la non-linarit vis- vis de la contrainte applique peut tre prise encompte dans lexpression de la dformation de plasticit de transformation en posant pt = kf(Z) g() o k est une constante.

Dans ce cas, on obtient :

k = 0.54 10-4

Transformationmartensitique


g() (MPa) 1.2 1.38 1.79

k = 0.71 10-4

Transformationbainitique

24 MPa 47 MPa 70 MPa 95 MPa

g() (MPa) 0.97 1.26 1.32

Par ailleurs, pour les deux transformations, la dformation finale de plasticit detransformation est plus leve pour les essais de compression dans le cas o les contraintesinternes lies la mise ne forme de lacier (cf chapitre 2) nont pas t effaces .

Les dformations de plasticit de transformation finales sont gales pour un mmeniveau de charge, que celle-ci soit de compression ou de traction. Ceci va lencontre desrsultats tablis par Videau [VID94] qui trouvait des valeurs plus leves en traction quencompression.

Lvolution de la dformation de plasticit de transformation est non-linaire aveclavancement de la transformation et elle est correctement dcrite par les fonctionshabituellement utilises pour les simulations numriques.

6. Protocole de ralisation et dexploitation desessais sur le comportement multiphas

6.A. Histoire thermique pralable lessai de traction

6.a.1. Traitement thermique global

Les prouvettes subissent une trempe globale (zone utile et ttes de lprouvette).Cette trempe a pour objectif dobtenir un matriau aux caractristiques mcaniques plusleves dans la zone de section constante (hors zone utile) de sorte viter la rupture avantplastification de la zone utile.

Les prouvettes sont austnitises 950C pendant 7 minutes. La trempe est ralise lhuile sous vide. Un essai de traction sur une prouvette trempe globalement a montr quecette procdure ne fragilise pas le raccord entre la partie de section droite et la tte desgrgations forment des veines perpendiculaires la direction axiale de lprouvette comptetenu du sens de prlvement des prouvettes au sein de la tle.


109

6.a.2. Dtermination des proportions Zi(T0) des diffrentes phases lambiante

A partir de la courbe dilatomtrique du cycle pralable

Les proportions en volume Zi(T) des constituants de lprouvette sont dtermines enfonction de la temprature partir de la courbe dilatomtrique du cycle prliminaire. Lesproportions Zi (T0) lambiante sont celles donnes en fin de cycle dilatomtrique.

A partir de lanalyse micrographique post-mortem

Les proportions Zi (T0) peuvent tre estimes partir dune analyse micrographique,mthode destructive utilise aprs lessai de traction.

6.a.3. Procdure de lessai de traction monotone

Deux jauges diamtralement opposes sont colles suivant la direction axiale delprouvette de faon prendre en compte les ventuelles effets de flexion.

Les jauges sont de type EP-08-125-HN-120 et la colle de type A-12 de chez VishayMicromesures. Lutilisation de ces produits permet de mesurer des dformations maximalesde 20% suivant la notice du fabricant. Il est noter que la colle polymrise 75C pendant2h. Le dispositif dacquisition est constitu dune UTD (Unit de Transfert de DonnesCentralp) reli un PC qui stocke les donnes. Lacquisition des 3 voies de mesures (jauge1,jauge2 et force applique) seffectue toutes les 2 secondes. Le chargement est ralis sur unepresse hydraulique de traction-compression de 200 KN maximum. Le chargement de tractionest stopp pour 5% de dformation plastique de lprouvette environ, la dcharge a alors lieuet se poursuit par un chargement de compression de mme valeur absolue que celui detraction.

6.a.4. Dtermination de la courbe v = f (v)

Dans le cas dessais de traction monotone temprature ambiante, la sectionactualise S est donne par :

S = S0 (1-2 e e-2 p p) = (1-2 ) avec

* =

1

2

1

20

F

S E, coefficient de contraction

lastoplastique. On approxime *par 0.5.

Do, la contrainte vraie ( ) Y = F

S0 1 2*

( ) 1+ = e v avec

vL

L= = +ln ln( )

01 , dformation vraie.


110

6.a.5. Estimation du module dYoung, des limites dlasticit linaire et 0.2% dedformation plastique, des modules tangent et scant, et du moduledcrouissage

La figure 46 suivante prsente les caractristiques mcaniques tablies partir de lacourbe v vf= ( ) :

0

100

200

300

400

500

600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Dformations (E-06)

Contrainte(MPa)

0.02

y

E

Es

Et = tg

Figure 46 : Dterminati on des caractrist iques mcaniqu es partir d e la courbe v vf= ( )

Le matriau prsente un comportement lastique pour les valeurs de v infrieures lalimite lastique du matriau y , la loi de comportement dite de Hooke scrivant v vE= ,o E est le module d'Young . On dduit une valeur moyenne de E pour le domaine lastiquepar division de v par v .

Si lon dcharge partir dun point quelconque de la courbe non-linaire, le matriause comporte lastiquement et le trajet se fait selon une droite de pente E et la dformationrmanente pour = 0 est une dformation purement plastique. La limite dlasticit 0.2%de dformation plastique est donc obtenue en traant la droite de pente E qui coupe laxe desabscisses (v) pour 0.2% de dformations.

Le module dcrouissage, dans le cas dun comportement bilinaire, est obtenu par la

formule suivante :hE E

E Et

t

=+.

o Et est le module tangent obtenu pour la dformation

plastique maximale considre (5% ici).

6.a.6. Caractrisation de lcrouissage

Lprouvette sera dcharge pour 5% de dformation plastique de sorte caractriserle type dcrouissage du matriau considr, isotrope ou cinmatique. La courbe v vf= ( )


111

est trace pour les valeurs de contraintes positives et ngatives et, le mode dcrouissageisotrope ou cinmatique est dfini.

6.b. Essais de traction chaud

6.b.1. Programme des essais

Le programme des essais prvoit des essais de traction sur des mlanges

Deuxième Partie Base de données -...

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