Caractérisation du comportement micromécanique de l’acier inoxydable martensitique UNS S41500 dans l’état métallurgique brut de trempe

Résumé

Cette thèse présente un travail expérimental dont le principal objectif est l’étude du comportement micromécanique de l’acier inoxydable martensitique UNS S41500. 1) L’étude comporte deux objectifs principaux. L’extraction des propriétés mécaniques d’un ensemble de lattes de martensite (bloc de martensite) par essais de microtraction. 2) L’étude du comportement non-linéaire observé à basse charge lors d’une sollicitation quasi-statique en tension sur la nuance brute de trempe. Cette étude s’inscrit dans la volonté qu’a Hydro-Québec de modéliser le comportement micromécanique des alliages employés dans la fabrication des roues d’eau, notamment le CA6NM. Cette démarche est motivée par les incertitudes entourant les mécanismes d’endommagement par fatigue auxquels ces structures sont soumises en service. Pour répondre à cette problématique, la méthode de la plasticité cristalline par éléments finis (MPCEF) a été retenue comme approche privilégiée. Toutefois, l’application de cette méthode exige une connaissance précise des propriétés mécaniques intrinsèques de l’alliage et de son comportement en déformation. Pour cette étude, le choix de matériau s’est porté sur l’acier UNS S41500, un alliage corroyé ayant la même composition chimique que le CA6NM, mais offrant une propreté inclusionnaire supérieure et l’absence de défauts de coulée. Les connaissances sur la martensite en lattes observée dans les aciers UNS S41500 et CA6NM sont nombreuses et bien documentées. En revanche, la modélisation de ces microstructures complexes par MPCEF comporte des lacunes au niveau des propriétés micromécaniques utilisées dans les lois constitutives. En effet, la littérature ne propose pas de valeurs mesurées de la contrainte de cisaillement critique résolue (CCCR), ni de la contrainte de cisaillement résolue à la saturation (CCRS) d’un ensemble de lattes de martensite. Les données disponibles proviennent d’extrapolations d’essais contenant des joints de blocs ou calculées à l’aide de méthodes inverses par optimisation. Depuis 70 ans, une non-linéarité observée à basse charge lors d’une sollicitation en tension dans la martensite brute de trempe fait l’objet d’un débat. Cette non-linéarité, observée dans des microstructures sans austénite reformée, a été attribuée soit à la présence de dislocations mobiles, de contraintes résiduelles à l’échelle de la microstructure (type-II) ou de l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la martensite. Étonnamment, un revenu sous le début de la transformation austénitique (AC1) (500°C, 2h) produit une microstructure sans austénite reformée et dont la courbe de traction est exempte de non-linéarité. Paradoxalement, la même microstructure revenue au-delà de AC1 et contenant de l’austénite reformée favorise le développement de cette non-linéarité. Ainsi, pour être en mesure de découpler le rôle de l’austénite reformée des autres sources précédemment énoncées, la nuance brute de trempe sera utilisée pour étudier le développement de la non-linéarité dans une microstructure monophasée. De futurs travaux seront proposés pour constater si le même mécanisme explique la non-linéarité en présence d’austénite reformée. En premier lieu, l’extraction des propriétés micromécaniques de la martensite a été effectuée à partir de microéprouvettes de traction usinées à même la microstructure. Pour ce faire, une caractérisation de la microstructure par électron rétrodiffusés (EBSD) a permis de d’identifier 5 candidats respectant différents critères de dimensionnement et d’orientation cristallographique. De ces 5 candidats, 2 furent choisis dans l’orientation (110), un dans l’orientation (111) et un dans l’orientation (112) dans le but de balayer la majorité du triangle des pôles. Les deux candidats (110) furent choisis pour quantifier la répétabilité des mesures. Les résultats du calcul de la CCCR sur les systèmes de glissement activés {110}, {211} et {123} montrent une bonne répétabilité et sont cohérents avec les données extrapolées proposées dans la littérature. La CCCR a été établie à 291 MPa pour l’ensemble des plans avec un écart type de 16 MPa. La CCRS a aussi été mesurée à 364 MPa avec un écart type de 16 MPa également. En revanche, l’éprouvette orientée (111) comprenait un joint de bloc dans son épaisseur. Elle a tout de même permis de constater l’influence significative de la présence d’un joint de bloc en augmentant la CCCR et la CCRS de 29% et de 58% respectivement. Finalement, un effet de non-Schmid semble avoir été observé, mais cette hypothèse n’a pu être confirmée. L’étude du second objectif a été effectuée à partir d’une série d’éprouvettes de dimensions différentes, allant de l’échelle macrométrique à micrométrique. L’ensemble des éprouvettes fut prélevé du même lot de matériau, après avoir subi une austénitisation à 1050°C pendant une heure. Ce traitement thermique a été choisi dans le but de produire une martensite exempte d’austénite reformée. Le développement de la plasticité a été identifié par la méthode OPRA (Onset of Plasticity Relaxation Analysis) durant des essais de traction quasi-statique. Le protocole expérimental a permis d’étudier l’influence de la réduction des contraintes résiduelles de type-II par une réduction significative du volume de l’éprouvette, ainsi que de l’anisotropie des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique. Une éprouvette macroscopique, revenue à 500 °C pendant deux heures, a également été testée afin d’évaluer la relaxation des contraintes par une approche différente. Les résultats proposent de façon convaincante que les contraintes résiduelles de type-2 favorisent le développement de la microplasticité à basse charge dans le UNS S41500 à l’état brut de trempe. En effet, il a été démontré que les contraintes résiduelles de type-2 rationalisent la différence entre la CCCR estimée dans une éprouvette macroscopique et celle mesurée expérimentalement dans une éprouvette microscopique en configuration de glissement in-lath. Le tenseur des contraintes résiduelles utilisé dans ce travail provient d’un acier Fe-0.27C-2.3Mn-0.1Cr-1.47Si trempé. Le calcul de l’influence des autres mécanismes proposés dans la littérature ne permet pas de justifier leur contribution au développement de la non-linéarité à basse charge. En sommes, cette thèse a permis d’enrichir les connaissances sur le comportement micromécanique de la martensite en lattes. Premièrement, de nouvelles valeurs de CCCR et de CCRS mesurées directement d’un groupe de latte sont proposées pour alimenter une loi constitutive en MPCEF. Deuxièmement, il est proposé que les contraintes résiduelles de type-II représentent le mécanisme qui favorise le développement de la non-linéarité à basse charge dans la martensite en lattes brute de trempe. Ce comportement fut observé pour la première fois il y a 70 ans.

Date	16 janv. 2026
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Henri Champliaud (Directeur(-trice)), Daniel Paquet (Codirecteur(-trice)) & Jacques Lanteigne (Codirecteur(-trice))