Microstructure evolution of medium carbon low alloy steel during ingot breakdown process

Résumé

Les aciers à haute résistance mécanique utilisés pour la fabrication de composants de grandes dimensions tels que les arbres de turbine sont produits par coulée en lingots, suivie d'opérations de forgeage, de trempe et de revenu afin de décomposer la structure coulée et d'optimiser les propriétés. La première étape du processus de déformation, appellee décomposition des lingots, est réalisée bien au-dessus de la température para-équilibre Ae3 (température à laquelle la transformation de la ferrite en austénite accompagnée d'une diffusion interstitielle atteint l'équilibre, et produit donc des changements microstructuraux majeurs. De plus, la microstructure développée au cours du processus de décomposition des lingots a une influence déterminante dans la conception des traitements thermomécaniques ultérieurs pour obtenir les propriétés souhaitées dans le produit forgé. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et de comprendre les mécanismes impliqués dans l'évolution de la microstructure lors du forgeage de la structure coulée d'un acier moyennement allié à faible teneur en carbone utilisé comme matériau de matrice dans l'industrie du transport. En outre, le comportement constitutif de la structure telle que coulée a été modélisé et le modèle de matériau décrivant le mieux le comportement de l'acier étudié pendant le processus de décomposition des lingots de très gros lingots a été déterminé pour la première fois. Le modèle matériel développé a été implémenté dans un code d'éléments finis (FEM). La première partie de cette étude fournit des détails sur le développement d'un modèle précis afin de prédire le comportement d'écoulement du matériau dans différentes conditions de déformation. L'évolution de la microstructure, de l’état coulé à l'état forgé, a été quantifiée avec précision et le modèle développé ainsi que les constantes de régression ont été identifiées. Le modèle qui permet de mieux anticiper les courbes d'écoulement lors de la déformation d'une structure de coulée a été déterminé. Plus précisément, les modèles constitutifs de Hansel-Spittel et d'Arrhenius ont été développés en utilisant des tests de compression à chaud puis incorporés dans le code FEM à l’aide du code de calcul Forge NxT 1.0®. Les résultats de la simulation ont été utilisés pour analyser le chauffage adiabatique et pour l'analyse de la force en fonction du temps. Pour déterminer et quantifier la précision des modèles développés, une comparaison du modèle d'Arrhenius et de Hansel-Spittel est effectuée. La précision et la fiabilité des deux modèles ont été comparées en termes de coefficient de corrélation (R) et d'erreur relative absolue moyenne (EARM). Les valeurs de R et EARM pour le modèle d'Arrhenius sont comprises entre 0.978 et 1.76%, alors que pour le modèle de Hansel Spittel, elles sont comprises entre 0.972 et 3.17%. Les prédictions de contrainte déformations par les deux équations révèlent que le modèle de Hansel-Spittel est incapable de prédire l’adoucissement dynamique du matériau et s'est également avéré insignifiant dans la prédiction des courbes d'autres intervalles de paramètres. La modélisation par éléments finis (MEF) a été utilisée en intégrant les deux modèles dans le logiciel Forge NxT 1.0® pour la l'optimisation du processus de forgeage des lingots. D’une part, les résultats de la simulation ont montré un bon accord avec les valeurs théoriques du chauffage adiabatique en utilisant les deux modèles. D’autre part, le modèle d'Arrhenius était capable de prédire avec précision les valeurs de force en fonction du temps. Les résultats indiquent que le modèle d'Arrhenius est plus précis et efficace dans la prédiction du comportement de déformation de la structure coulée que le modèle de Hansel-Spittel. La deuxième partie de cette étude analyse l'occurrence de la transformation dynamique au cours du processus de forgeage du lingot. Cette recherche se concentre sur les mécanismes fondamentaux responsables de l'évolution de la microstructure coulée vers une microstructure forgée. L'acier au carbone homogénéisé et coulé avec une taille de grain égale à 200 μm a été utilisé pour cette étude. La déformation à chaud est réalisée en utilisant un simulateur thermomécanique Gleeble 3800 à des températures entre 1150 ° C et 1200 ° C avec des vitesses de déformation égales à 0.25, 1 et 2 s-1. Les températures de déformation à chaud choisies étaient comprises entre 450-500 ° C au-dessus de Ae3. La technique de double différenciation a été utilisée pour analyser les courbes contrainte-déformation. Des différentes techniques comme la microscopie optique, le microscope électronique à balaya (MEB) et la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) ont été utilisées pour la caractérisation de la microstructure. La misorientation locale (KAM) a été utilisée pour mesurer la misorientation interne afin de séparer la fraction de grains de ferrite transformés dynamiquement (TD). Les résultats indiquent qu'avec l'augmentation de la température de déformation, la fraction de ferrite augmente, alors qu'elle diminue avec l'augmentation de la vitesse de déformation. L'étude de l'effet de la vitesse de déformation sur la présence de ferrite DT et sa croissance a été déterminée à l'aide du coefficient de diffusion de la tuyauterie. On a constaté que le taux de déformation joue un rôle important dans l'évolution de la microstructure du DT. Des plaques de ferrite de Widmanstätten ont été observées à un taux de déformation plus élevé et, à des taux de déformation plus faibles, de la ferrite quasi polygonale a été observée. Le changement de morphologie était lié à la variation de la diffusivité du carbone et de la distance de diffusion avec le taux de déformation. Un mécanisme pour cette transformation est proposé et illustré schématiquement. La troisième partie se concentre sur l'effet de l'addition de chrome (Cr) sur la transformation dynamique (TD) de l'austénite à la ferrite à une température supérieure à Ae3 et qui peut atteindre 430 ° C dans un acier faiblement allié en fonte. En calculant la force motrice et l'énergie de barrière à la transformation, les résultats ont montré que même si Cr augmente la force motrice de la transformation et l'énergie de la barrière augmentent. Afin de mieux comprendre fondamental au niveau atomistique, l'analyse de diffusion a été réalisée en considérant la contrainte dû à la déformation. Il a été constaté qu'avec l'augmentation de la contrainte, la diffusivité et la distance de diffusion augmentent. En comparant les résultats de diffusion du Cr avec ceux d'autres éléments comme le carbone et le silicium, on a trouvé que la distance de diffusivité et de diffusion du Cr est significativement plus faible que celle du carbone et du silicium. Cette découverte donne un aperçu de la façon dont des elements comme Cr augmentent l'énergie de barrière à TD, alors que des éléments comme le C et le Si agissent en faveur de TD. L'analyse de diffusion a également Montré que la température n'a aucun effet sur la diffusivité, la diffusion et la distance de diffusion de Si, Mn et Cr par rapport au C qui a un effet significatif avec un changement de la température. La quatrième est focalisée sur l'étude de l'effet de la double déformation sur la cinétique de recristallisation métadynamique (MDRX). Le processus du forgeage du lingot comprend souvent plusieurs étapes de deformation successives avec des temps d'interpasses élevés, au cours desquels MDRX se produit. Des essais de compression isotherme en deux étapes ont été effectués à des températures égales à 1150 et 1200 ° C, à des vitesses de déformation de 0.25-2s-1 et des temps d'interpassage de 5-25 s. Sur la base des résultats expérimentaux, un modèle matériel pour MDRX a été proposé. Le modèle constitutif a été implémenté dans le logiciel Forge NxT 1.1® dans le but de simuler la compression multi étapes. Les predictions s'avèrent cohérentes avec l'analyse numérique et expérimentale. Cette constatation indique que les équations cinétiques proposées peuvent donner un comportement de d’adoucissement précis pour les déformations à chaud pour l'acier faiblement allié à l’état coulé.

Date	6 juin 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice))