Caractéristiques mécaniques et microstructurales des aciers à effet TWIP

Développés par Sir Hadfield, les aciers à haute teneur en manganèse à effet TWIP (Twinning induced plasticity) et TRIP (Transformed induced plasticity) ont une résistance mécanique élevée combinée à une bonne aptitude à la déformation plastique et une faible densité. Ces caractéristiques conduisent à une réduction de l’épaisseur des pièces et facilitent la mise en forme. La faible résistance à la corrosion de ces alliages(Hamada 2007; Opiela, Grajcar et al. 2009; Grajcar, S.Kolodziej et al. 2010; Michael, Patrick et al. 2012) constitue un handicap majeur pour des applications dans l’industrie de l’automobile et un atout si on veut les utiliser comme matériaux biodégradables pour des applications cardiovasculaires.

2.1.1. Composition chimique et microstructure

Les aciers à effet TRIP et TWIP sont constitués essentiellement des éléments chimiques suivants : le fer (Fe) comme élément de base et le manganèse (Mn), le carbone (C), l’aluminium (Al) et le silicium (Si) comme élément d’alliage. Le Mn et le C sont les éléments de base des aciers de type Fe-Mn-C à effet TWIP. Les teneurs des éléments Mn et C sont particulièrement importantes en ce sens qu’elles déterminent à la fois la nature des phases présentes et l’énergie de faute d’empilement (EFE). Ces deux éléments d’alliages sont utilisés pour stabiliser l’austénite à la température ambiante. Pour obtenir une structure entièrement austénitique à la température ambiante, la teneur en carbone doit être comprise entre 0,6 et 1,2 %m et celle du manganèse entre 12 et 35 %m (Figure 2.1). Le Mn forme une solution solide de substitution avec le Fe, permet de stabiliser la structure austénitique à la température ambiante et contrôle l’énergie de faute d’empilement (EFE). L’énergie de faute d’empilement est un paramètre qui détermine les mécanismes de déformation plastique des aciers à effet TWIP/TRIP. Il est fonction de la composition chimique et de la température comme nous le révèle la Figure 2.2 ci-dessous [81–83]. Le carbone sert tout comme le Mn à stabiliser l’austénite à la température ambiante, comme un élément soluble dans l’austénite. Il se trouve en solution solide d’insertion et contribue à durcir la matrice d’austénite dans les aciers TWIP de type Fe-Mn-C. L’énergie de faute d’empilement (EFE) croît avec le pourcentage de C (voir Figure 2.3). L’aluminium et le silicium entrent également dans la composition chimique des aciers TWIP de type Fe-Mn-Al et Fe-Mn-Al-Si. L’aluminium quant à lui augmente l’énergie de faute d’empilement (Figure 2.2), stabilise l’austénite en empêchant sa transformation en martensite (a’ ou e) au cours de la déformation plastique, durcit la matrice

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d’austénite et augmente la résistance à la corrosion [83]. Contrairement à l’aluminium, le Si et le Cr diminuent l’EFE (Figure. 2.2), et favorisent la transformation de l’austénite (g) en martensite (e) par effet TRIP. Le silicium (Si) contribue au durcissement de la solution et le chrome (Cr) est parfois ajouté pour augmenter la résistance à la corrosion [83].

Figure 2.1: Effet de la température et de la composition chimique sur l'EFE de l'austénite en corrélation avec le mécanisme de déformation dans les aciers à haute teneur en Mn (Grajcar et al [81]); TRIP (transformation induced plasticity); TWIP (Twinning induced Plasticity); DG (Dislocations Glide); SIP (Slip-Induced Plasticity);

EFE (Énergie de faute d’empilement).

Figure 2.2: Diagramme de phase après trempe à température ambiante en fonction des teneurs (%m) en Mn et C (Schumann, 1972 [84])

Dans la suite nous nous intéresserons aux aciers TWIP de type Fe-Mn-C qui font l’objet de cette étude. Les

Figures 2.1 et 2.3 donnent respectivement une portion du diagramme de phase et l’énergie de faute

d’empilement des alliages TWIP de type Fe-Mn-C en fonction des concentrations massiques en Mn et en C. Dans les alliages Fe-Mn-C, il peut se former différentes phases en fonction des teneurs en éléments Mn et C, mais aussi en fonction des traitements thermomécaniques subits par l’alliage lors de son élaboration. Pour de

Teneur en carbone (%m) Te ne ur e n m anga nè se ( % m Mn )

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faibles concentrations en Mn et C il y a la formation simultanée des phases austénites (g) et martensites (a et e) comme révélé à la Figure 2.1. Selon les teneurs en Mn et C la valeur de l’EFE (lignes iso-EFE), les phases martensitiques peuvent se former directement au cours des traitements thermiques ou encore par déformation mécanique comme nous l’indique le diagramme de Schumann à 300 K de la Figure 2.3 [85].

Figure 2.3: Lignes iso-EFE dans le diagramme carbone/manganèse (%m) des aciers à 300 k [76,82]. les traits indiquent les limites supérieures des domaines de transformation martensitique thermique et mécanique [85]

2.1.2. Propriétés mécaniques

Les aciers austénitiques et particulièrement ceux de type Fe-Mn-C à effet TWIP réalisent le meilleur compromis en terme de résistance mécanique et d’allongement comparés aux autres aciers, comme le revèle la Figure 2.4 ci-dessous [86]. Ces performances sont associées aux différents mécanismes qui interviennent particulièrement dans ces aciers lors d’une sollicitation mécanique. Lorsque la température croît, l’EFE augmente [77]. Cette augmentation de l’EFE influe sur la nature des mécanismes de déformation et donc sur les propriétés mécaniques. La Figure 2.5 donne la corrélation entre l’EFE et les différents mécanismes de déformation.

Pour des énergies de faute d’empilement inférieures à 20 mJ/m2_{, la transformation est essentiellement}

displacive, l’austénite se transforme en martensite (e) sans diffusion d’atomes. La présence de martensite contribue au durcissement du matériau mais en même temps il le fragilise en restreignant les mouvements de dislocations. Pour des énergies de faute d’empilement comprises entre 20 et 60 mJ/m2_{, la déformation}

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plastique se produit par maclage mécanique (effet TWIP), c’est ce type de déformation qui réalise le meilleur compromis entre la résistance mécanique et la déformation plastique. Pour des énergies de faute d’empilement supérieures à 60 mJ/m2_{, la déformation plastique se produit par glissement de dislocations. Ce}

mécanisme conduit à une résistance à la traction moins élevée que celles rencontrées pour le maclage mécanique, car l’apparition des joints de macles dans le cas précèdent contribue à augmenter la résistance à la traction du matériau [87].

Figure 2.4: Diagramme allongement/résistance à la traction pour différentes gammes d'aciers [85].

Figure 2.5: Exemple de différents modes de déformation en fonction de l'EFE pour les alliages Fe-Mn-C [88].

L’influence de la température sur les mécanismes de déformation est clairement illustrée par les deux courbes de la Figure 2.6 issues des résultats expérimentaux de traction uniaxiales effectués par Allain et al [85] sur des échantillons de Fe-22Mn-0.6C à 25 °C et 400 °C. Les plus grandes valeurs de l’allongement et de la résistance mécanique sont obtenues à la température ambiante, où les mécanismes de déformation sont caractérisés par un maclage mécanique de l’austénite (effet TWIP) et le mouvement de dislocations rencontré habituellement dans les métaux ductiles. Pour des températures plus hautes (>200 °C) on assiste préférentiellement une déformation par mouvement de dislocations car l’EFE s’en trouve augmentée. Par

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contre pour des températures plus basses que la température ambiante, il se produit une plasticité induite par la transformation (effet TRIP) de l’austénite γ(CFC) en martensite ε (hcp) ou en martensite α’ (tétragonal).

Figure 2.6: Courbes de traction à température ambiante (25 ºC) et à 400 c pour l’alliage Fe-22Mn-0,6C [84].