Influence of micro-alloying on inclusion population, elastoplastic behaviour and ductile fracture resistance of martensitic steels - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2022

Influence of micro-alloying on inclusion population, elastoplastic behaviour and ductile fracture resistance of martensitic steels

Influence du micro-alliage sur la population inclusionnaire, le comportement élastoplastique et la résistance à la rupture ductile d'aciers martensitiques

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Adrien Milani
  • Function : Author
  • PersonId : 1152080
  • IdRef : 263706567

Abstract

The present study focuses on the optimization of the chemical composition, of the microstructure, and of the control of coarse Ti (C,N) inclusions, on high strength martensitic steels for automotive applications.In order to vary the mechanical strength and inclusion cleanliness, laboratory steels were cast with various carbon and titanium contents, then heat treated to obtain different grain sizes and spatial distributions of iron carbides. From the obtained results, the chemical composition (mainly, the carbon content) is the first-order parameter influencing the mechanical strength as well as the local ductility at failure. Refining the parent austenite grains leads to an increase in yield strength, in the resistance to crack initiation and, to a lesser extent, in the ultimate tensile strength. An optimum temperature has been found, to increase the local ductility at fracture with only a small decrease in ultimate tensile strength. A thermodynamic analysis showed that the increase in the carbon content induces a titanium supersaturation in the inter-dendritic liquid at the solidification front. This depends on the solid phase at the interface, and thus on the chemical composition of the alloy, favouring the formation of Ti(C,N)inclusions during solidification into austenite. Increasing the titanium content in the first order, and carbon in the second order, increases the spatial density of inclusions. The addition of titanium also induces a refinement of parent austenite grains, and thus of the martensite microconstituents, beneficial on the resistance to fracture initiation. There is therefore a competition between the deleterious effect ofthe inclusions and the favourable effect of the refinement of the microstructure.The anisotropy in fracture initiation in bending is accentuated with the increase in the area fraction of inclusions, via the Ti(C,N) alignments due to rolling. The development damage was observed in tensile tests interrupted before failure on notched specimens. A more detailed analysis of this anisotropy was carried out using unit cell calculations. For this purpose, the Young's moduli of these inclusions were determined via nano-indentation tests.
La présente étude s’intéresse à l’optimisation de la composition chimique, de la microstructure, ainsi qu’au contrôle d’inclusions grossières de type Ti (C,N), sur des aciers martensitiques à haute résistance pour des applications automobiles. Afin de faire varier la résistance mécanique et la propreté inclusionnaire, plusieurs aciers ont été élaborés en faisant varier les teneurs en carbone et en titane, puis traités thermiquement dans le but d’obtenir différentes tailles de grains et répartitions spatiales des carbures de fer. Il a été montré que la composition chimique (et principalement la teneur en carbone) est le paramètre de premier ordre influençant la résistance mécanique ainsi que la ductilité locale à rupture. La diminution de la taille de grain austénitique induit une augmentation de la limite d’élasticité, de la résistance à l’amorçage de fissure, ainsi que, dans une moindre mesure, de la résistance mécanique. Une température de revenu optimale a été déterminée,permettant une augmentation de la ductilité locale à rupture en n’engendrant qu’une faible diminution de la résistance mécanique, grâce à une distribution spatiale homogène des carbures de fer.Une analyse thermodynamique a montré que l’augmentation de la teneur en carbone induit une sursaturation en titane dans le liquide inter-dendritique au front de solidification. Celle-ci dépend de la phase en présence donc de la composition chimique de l’alliage, favorisant la formation d’inclusions de type Ti (C,N) lors d’une solidification en austénite. L’augmentation de la teneur en titane au premier ordre,et en carbone au second ordre, augmente la densité spatiale d’inclusions. L’ajout de titane induit également un affinement des grains austénitiques, et ainsi des micro constituants de la martensite,bénéfique sur la résistance à l’amorçage de la rupture. Il existe donc une compétition entre l’effet délétère des inclusions et l’effet favorable de l’affinement de la microstructure.L’anisotropie de la résistance à l’amorçage de fissure en pliage augmente avec la fraction surfacique d’inclusions, via les alignements de Ti (C,N) dus au laminage. Les essais de traction interrompus avant rupture sur éprouvettes entaillées ont permis d’observer le développement de l’endommagement.L’analyse plus fine de cette anisotropie a été réalisée grâce à des calculs sur cellule élémentaire. Pour ce faire, les modules d’Young de ces inclusions ont été déterminés via des essais de nano-indentation.
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Dates and versions

tel-03738399 , version 1 (26-07-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03738399 , version 1

Cite

Adrien Milani. Influence du micro-alliage sur la population inclusionnaire, le comportement élastoplastique et la résistance à la rupture ductile d'aciers martensitiques. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPSLM013⟩. ⟨tel-03738399⟩
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