Mechanical behaviour and martensitic transformations of two austenitic stainless steels: temperature, strain rate and loading effects - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2008

Mechanical behaviour and martensitic transformations of two austenitic stainless steels: temperature, strain rate and loading effects

Comportement et transformations martensitiques de deux aciers inoxydables austénitiques : effets de la température, de la vitesse et du chargement

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Abstract

During recent years, a growing interest has been focused on the potential use of austenitic stainless steels as crash-relevant structures of automobiles due to their high energy absorbing capacity and excellent formability. This properties improvement is due to the transformation induced plasticity (TRIP) which occurs during the gamma → alpha' transition in unstable grades. The mechanical behaviour of two grades AISI 301LN and AISI 201 were studied under tension over a wide temperature range [-150°C; +150°C] and at various stain rates [3.10-4 s-1; 200 s-1] in order to cover forming and crash conditions. The evolution of the alpha' martensite amount formed was followed by magnetic measurements with a dedicated device. A thermodynamical law were used to model the gamma → alpha' transformation kinetics. Deformation microstructures have been identified via X-ray diffraction and TEM. The resulting transformation and deformation modes indicate that high strain rate favoured planar defects formation and promote gamma → alpha' transformation when temperature is around Md. The materials tensile behaviour has been model by a mixture law. Triaxiality ratio impact has been studied by testing the materials under simple shear, plane strain state and balanced biaxial tension. The local strain state appears to be a significant parameter regarding the martensite volume fraction measured. The loading path influence was explored by changing for a given specimen the loading orientation. The variation observed on the stress-strain curves and the alpha' volume fraction measured indicates that the martensitic transformation should be considered at the scale of the implicated slip systems. The main results of the present study are: i) 301LN and 201 grade present different deformation modes but their comparable mechanical properties allow the materials to be substitute each other for automotive applications. ii) The increase of strain rate promotes the martensites (alpha' and epsilon) and twins formation. iii) A good representation of transformation kinetics is subjected to crystal scale description. iv) The softening effect of the transformation cannot be described using the classical homogenization laws for composite. During recent years, a growing interest has been focused on the potential use of austenitic stainless steels as crash-relevant structures of automobiles due to their high energy absorbing capacity and excellent formability. This properties improvement is due to the transformation induced plasticity (TRIP) which occurs during the gamma → alpha' transition in unstable grades. The mechanical behaviour of two grades AISI 301LN and AISI 201 were studied under tension over a wide temperature range [-150°C; +150°C] and at various stain rates [3.10-4 s-1; 200 s-1] in order to cover forming and crash conditions. The evolution of the alpha' martensite amount formed was followed by magnetic measurements with a dedicated device. A thermodynamical law were used to model the gamma → alpha' transformation kinetics. Deformation microstructures have been identified via X-ray diffraction and TEM. The resulting transformation and deformation modes indicate that high strain rate favours planar defects formation and promotes gamma → alpha' transformation when temperature is around Md. The materials tensile behaviour has been model by a mixture law. Triaxiality ratio impact has been studied by testing the materials under simple shear, plane strain state and balanced biaxial tension. The local strain state appears to be a significant parameter regarding the martensite volume fraction measured. The loading path influence was explored by changing for a given specimen the loading orientation. The variation observed on the stress-strain curves and the alpha' volume fraction measured indicates that the martensitic transformation should be considered at the scale of the implicated slip systems. The main results of the present study are: i) 301LN and 201 grade present different deformation modes but their comparable mechanical properties allow the materials to be substitute each other for automotive applications. ii) The increase of strain rate promotes the martensites (alpha' and epsilon) and twins formation. iii) A good representation of transformation kinetics is subjected to crystal scale description. iv) The softening effect of the transformation cannot be described using the classical homogenization laws for composite.
La recherche de "solutions aciers" peu coûteuses alliant conjointement allègement pondéral et sécurité passive est au cœur des problématiques actuelles dans l'industrie automobile. C'est pourquoi le développement de nuances à haute résistance s'en trouve fortement accru, en particulier les alliages inoxydables austénitiques qui présentent une transformation induite par la plasticité (effet TRIP), laquelle améliore considérablement les propriétés mécaniques de ces aciers. L'introduction dans les codes de calcul lors du prototypage de véhicules des modèles appropriés, passe par une bonne connaissance des mécanismes de transformation et de déformation se produisant dans ces matériaux. On a étudié le comportement mécanique et la transformation martensitique dans deux aciers inoxydables austénitiques : 301LN et 201. Pour connaître l'influence de la température sur le comportement de ces alliages, des essais de traction ont été réalisés dans le domaine de température [-150°C ; 150°C] couvrant largement les conditions de mise en forme et de crash en zone froide. De même, l'analyse de la résistance des matériaux au crash a été effectuée via l'étude du comportement en traction aux grandes vitesses de déformation s'étendant de 5.10-4 s-1 à 200 s-1. Des mesures de dosage magnétique à saturation ont permis d'évaluer les fractions volumiques de martensite alpha' formée dans les différentes conditions thermomécaniques. Une loi de transformation thermodynamique a été écrite permettant de modéliser les cinétiques de transformation gamma → alpha' obtenues. Les microstructures de déformation ont été identifiées par diffraction des rayons X et par microscopie électronique en transmission. L'établissement de cartographies de ces microstructures en fonction de la température et de la vitesse de déformation a permis de déterminer les modes de transformation et de déformation dans chaque alliage. On montre que l'accroissement de la vitesse de déformation favorise l'apparition de défauts planaires et la formation de martensite alpha' quand la température en cours d'essai est proche de Md. Outre les caractéristiques en traction, l'influence du taux de triaxialité sur la transformation martensitique a été étudiée. Les chargements suivants ont été appliqués : cisaillement simple, traction plane et expansion équibiaxiale. Les fractions volumiques relevées dans ces conditions laissent penser que l'état de déformation local dans les alliages est un paramètre significatif pour décrire la transformation martensitique. L'impact de chargements non proportionnels a été étudié en faisant varier pour un échantillon donné, l'orientation de la sollicitation dans deux directions non parallèles. Les modifications relevées sur les courbes de traction ainsi que les fractions volumiques mesurées font ressortir l'importance de la prise en compte de la transformation martensitique à l'échelle des systèmes de glissement mis en jeu. Il ressort principalement de cette étude : (i) que les deux nuances 301LN et 201 sont substituables pour les applications visées malgré une différence des modes de déformation. (ii) que l'augmentation de la vitesse de déformation favorise la formation de martensites (alpha' et epsilon et de macles. (iii) qu'une bonne représentation des cinétiques de transformation passe par la description de la transformation à l'échelle cristalline. (iv) que les modèles classiques d'homogénéisation de composite sont insuffisants pour rendre compte du caractère adoucissant de la transformation de phase.
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pastel-00577815 , version 1 (17-03-2011)

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Cite

Stéphanie Nanga-Nyongha. Comportement et transformations martensitiques de deux aciers inoxydables austénitiques : effets de la température, de la vitesse et du chargement. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00577815⟩
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