Influence of chemical composition on the microstructural development and on the mechanical behaviour of welds made of hot stamping steel grades
Influence de la composition chimique sur la formation de la microstructure et les caractéristiques mécaniques de soudures en aciers emboutissables à chaud
Résumé
This thesis is focused on the study of welded steel grades deformed by hot stamping. Typically, a laser welded blank is formed by butt joining two steel sheets, which can be identical or differ in chemical composition and/or sheet thickness. Such laser welded blank solution offers excellent crash performance, significant CO2 emission reduction and passive car safety thus it is of great interest for the automotive industry. The laser welding process may induce chemical and metallurgical heterogeneities arising from an incomplete mixture of the two base metals and from the thermal cycle conditions during welding and the subsequent heat treatment. The mechanical behaviour of the weld is therefore determined by the mixing quality, the chemical composition and the thermal cycle.The first part of the study aims at the quantification of the weld heterogeneity and the characterisation of the resulting microstructure. In this work, a new method is proposed to study the metallurgical and mechanical behaviour of those heterogeneous welds, by elaborating synthetic casted alloys representative of the different chemical compositions that can be locally found in the weld. The behaviour of the weld is then reconstructed from the results obtained from the characterisation of those synthetic casted alloys. The second part of the study concerns the understanding of the microstructure formation in the molten zone before and after a thermo-mechanical treatment which replicates the hot stamping conditions. Quantitative models have been established to calculate the phase transformation temperatures, the proportion of the principal constituents in the microstructure, and hardness of the weld as a function of chemical composition and thermal cycle parameters. The last part of the study is dedicated to the evaluation of the mechanical behaviour of the synthetic alloys after heat treatment. The constitutive material behaviour laws for each alloy have been identified. The sensitivity to brittle cleavage fracture has been assessed by tensile tests on severely notched bars. The constitutive material models are then applied to determine the sensitivity of the weld to geometrical defects under uniaxial loading.
La thèse porte sur deux aciers emboutissables à chaud, soudés en configuration homogène ou hétérogène en termes de composition chimique et d'épaisseur. Les solutions en flans raboutés laser présentent en effet de remarquables performances à l'impact et connaissent un fort développement dans le contexte actuel de l'industrie automobile (réduction des émissions de CO2 et amélioration de la sécurité passive des véhicules). L'opération de soudage laser peut générer une hétérogénéité de la jonction soudée, due au mélange imparfait des deux matériaux et des conditions thermiques de solidification et d'emboutissage à chaud. Les propriétés mécaniques du joint soudé sont donc déterminées par la qualité du mélange, la composition chimique locale et le cycle thermique.La première partie de l'étude est consacrée à la quantification de l'hétérogénéité du joint soudé et la compréhension de la microstructure. Une nouvelle méthodologie a été développée pour étudier le comportement métallurgique et mécanique de ces joints hétérogènes, en élaborant des coulées synthétiques représentant les différentes compositions chimiques attendues dans le joint réel. Le comportement du joint soudé est reconstruit à partir des données obtenues par la caractérisation de ces coulées synthétiques. La deuxième partie de l'étude porte sur la compréhension de la formation de la microstructure de la zone fondue avant et après traitement thermomécanique simulant l'emboutissage à chaud. Des modèles quantitatifs ont été établis pour calculer les températures de changement de phase, les proportions relatives des constituants microstructuraux ainsi que la dureté de ces alliages en fonction de la composition chimique et du cycle thermique. La dernière partie de l'étude porte sur le comportement mécanique après traitement thermique. Des lois de comportement des matériaux synthétiques ont été déterminées en fonction de leur composition chimique et du cycle thermique. La sensibilité à la rupture fragile par clivage a été évaluée par des essais de traction sur éprouvettes sévèrement entaillées. Les lois de comportement obtenues ont été appliquées pour déterminer la tolérance du joint soudé à un défaut géométrique, sous sollicitation de traction uniaxiale.
Domaines
Matériaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)