Linking the microstructure to the ductile-to-brittle transition of high strength quenched and tempered steels
Lien entre microstructure et transition ductile-fragile des aciers trempés-revenus à haute résistance
Résumé
This thesis is a part of Ascometal project, which aims at guiding the development of new high strength steels used foroffshore drilling parts in oil and gas domain. The aim of the project is to predict the ductile-to-brittle transition curve in Charpyimpact tests by considering microstructural parameters. The main two objectives of this study are: improving the knowledge of the link between the microstructure and fracture properties and building a microstructurally-based predictive tool for the impacttoughness. The chosen scientific approach includes four steps described as follows: 1) building of a database of six microstructures. These microstructures were quantitatively characterized at different scales. 2) The elastic-plastic behavior was studied by varying the test temperature, the strain rate, the sampling direction and the tempering temperature. 3) The fracture behavior was studied by using an instrumented Charpy impact test in a test temperature range of -196°C to +60°C. 4) Establishment of the links between microstructure and fracture properties. Mechanical analysis by the finite element method was used in some cases in order to determine the local stress. In this work we discuss the effect of strain rate, the test temperature, the sampling direction and the tempering temperature on the elastic-plastic behavior of steels containing martensite and upper bainite. Fractography was used to characterize the fracture mechanism in the ductile region, in the transition and in the brittle domains. The effect of tempering of ductile fracture damage is also discussed. The local approach to fracture is adopted for the purpose of determining the critical cleavage stress at -196°C. A quantitative link is established between the critical fracture stress and the carbide size. The effect of the upper bainite on the cleavage fracture stress is also discussed. Finally, a microstructurally-based global model for impact toughness is proposed in this thesis. The model takes the intercarbide spacing and the fracture appearance transition temperature into account to describe the instrumented Charpy impact curve. Complementary studies have to be made in order to deeply understand the dependence of the fracture appearance temperature on the austenite grain size, the packet size and the upper bainite fraction; they will make the global model for impact toughness more robust.
Cette thèse s’inscrit dans un projet dans lequel Ascometal souhaite améliorer le développement de nuances d’aciers à haute résistance destinées à la fabrication des pièces de forage offshore. Le projet vise notamment la prédiction, au moyen de la microstructure, de la courbe de transition ductile - fragile en résilience. Les objectifs de la thèse sont doubles à savoir : améliorer la compréhension du lien entre microstructure et propriétés à rupture, puis mettre au point un modèle prédictif de la résilience basée sur la microstructure. Nous avons adopté une démarche scientifique en quatre étapes: 1) la construction d’une base de données constituée de six microstructures. Les microstructures ont été caractérisées quantitativement à différentes échelles. 2) La caractérisation du comportement élastoplastique en variant la température d’essai, la vitesse de sollicitation, la direction de prélèvement des échantillons et le revenu. 3) La caractérisation du comportement à rupture au moyen des essais Charpy instrumentés dans une gamme de température allant de -196°C à +60°C. 4) L’établissement des liens quantitatifs entre chacune des microstructures et leurs propriétés à rupture. Dans certains cas, le recours aux outils numériques a été adopté pour accéder aux contraintes locales et les relier aux entités microstructurales. Les résultats ont permis d’aborder les discussions autour des effets : de la vitesse de sollicitation, du revenu, de la température d’essai et la direction de sollicitation sur le comportement élastoplastique des aciers de microstructure martensite et bainite supérieure. Pour les essais à rupture, l’analyse fractographique a permis d’accéder aux mécanismes de rupture dans les domaines de rupture ductile, de transition et de rupture fragile. Les observations de l’endommagement en post-mortem sur coupe polie ont permis de discuter l’effet du revenu sur l’endommagement ductile des aciers trempés-revenus à haute résistance. Au niveau du plateau ductile, un lien quantitatif est proposé entre la distance intercarbures et l’énergie totale à rupture, il permet d’expliquer l’augmentation de l’énergie à rupture. Au niveau du plateau fragile, l’approche locale de la rupture sur des éprouvettes axisymétriques entaillées est mise à contribution pour déterminer les contraintes critiques de clivage à -196°C. Un lien quantitatif a été établi entre la contrainte critique de clivage à -196°C et la taille des carbures. L’effet de la bainite supérieure sur la contrainte critique de clivage est également abordé. Enfin, un modèle global de la résilience basé sur la microstructure est proposé. Il s’appuie sur la distance intercarbures et la température de transition en cristallinité pour prédire la courbe de transition ductile-fragile des aciers à haute résistance de l’étude. Il semble enfin indispensable d’étendre l’approche proposée sur d’autres nuances de même grade afin de disposer d’une base de données plus large, ce qui devrait rendre le modèle global robuste.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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