Comportement mécanique macroscopique des aciers duplex

La réponse mécanique des phases constitutives d’une structure duplex est différente de leur comportement mécanique en situation monophasé. De plus, l’écoulement plastique macroscopique est en général anisotrope. Les origines de l’anisotropie du comportement mécanique sont multiples dont la texture et la topologie font partie.

La réponse mécanique d’un alliage biphasé lors d’un essai de traction uniaxial pourrait être schématisée comme le montre la Figure 1-20.

Figure 1-20 : Illustration du comportement mécanique global d’un matériau biphasé et le partitionnement de contrainte entre les deux phases constituantes. Stress : contrainte et

Applied Strain : déformation appliquée. [40]

Le premier aspect du comportement mécanique des aciers duplex est illustré par la dépendance entre la réponse mécanique et la direction de sollicitation. Dans des études menées sur la nuance duplex 2205 [11,25], la structure duplex, élaborée par le traitement thermomécanique industriel, a montré un comportement mécanique anisotrope. Cet aspect directionnel des propriétés de traction est schématisé par la Figure 1-21 où le matériau présente selon la direction 45°, les plus faibles valeurs de limite d’élasticité (à 1% de déformation) et de résistance mécanique.

Figure 1-21 : Evolution des propriétés mécaniques de résistance de l’acier duplex 2205 en fonction de la direction de sollicitation. UTS : Résistance mécanique, 1% proof stress :

L’anisotropie du comportement mécanique est attribuée en général à la topologie des phases ou à leur texture cristallographique. Dans le cas des aciers duplex, la topologie des phases ne peut induire l’anisotropie, caractérisée expérimentalement par les essais de tractions. En effet, la morphologie en bandes des phases, comme dans le cas des matériaux composites, devrait conduire à l’obtention des propriétés de résistance importantes selon la direction de laminage. Cependant, dans le cas des aciers duplex, la résistance mécanique selon la direction transversale est plus élevée par rapport à celle observée parallèlement à la direction de laminage.

Afin d’évaluer l’effet de la texture cristallographique sur le comportement mécanique, des auteurs ont utilisé la méthode développée par Taylor, Bishop et Hill. Cette méthode est basée sur le calcul du paramètre de Taylor qui relie la contrainte globale appliquée à la contrainte de cisaillement critique pour activer un système de glissement. Etant donné que la texture des aciers duplex est comparable à celle développée par les matériaux cubiques (cc et cfc) lors du laminage, elle est décrite en utilisant trois orientations représentatives : 50% (𝟏𝟎𝟎)[𝟎𝟏𝟏]_𝜶, 25% (𝟏𝟏𝟎)[𝟏̅𝟏𝟐]_ϒ et 25% (𝟏𝟏𝟎)[𝟏𝟏̅𝟐̅]_ϒ. En analysant l’écoulement plastique en fonction de la cristallographie des phases, Figure 1-22, on ne peut que conclure que l’anisotropie du comportement mécanique des duplex est due à leur texture plutôt qu’à la composition chimique ou à la topologie.

Figure 1-22 : L’évolution de la limite d’élasticité et le coefficient de Taylor en fonction de l’orientation par rapport à la direction de laminage. [24]

Il est mentionné que la ferrite ne devrait introduire aucune anisotropie même en étant fortement texturée si elle est toute seule. Ce constat est justifié dans le cas où on considère

que la texture de la ferrite est constituée uniquement de l’orientation (𝟏𝟎𝟎)[𝟎𝟏𝟏]_𝜶, qui est

le cas de l’étude réalisée par Hutchinson et al [25]. Ils supposent que la présence simultanément de l’austénite pourrait modifier l’état de déformation que la ferrite cherche à adopter. Cette hétérogénéité de déformation plastique entre les deux phases rend nécessaire l’augmentation de la contrainte dans certaines directions.

Il est rapporté dans l’étude réalisée par Moreverare et Odén [26] que la prise en considération uniquement de la texture conduit à une surestimation de l’écoulement plastique de la ferrite selon la direction 45°. Des essais de traction selon trois directions (DL, 45° et DT) ont été menés sur des échantillons de l’acier duplex (SAF 2304). Les caractérisations surfaciques des bandes de glissement, présentées dans la Figure 1-23, ont montré une différence d’échelle concernant l’accumulation de dislocations selon la direction de sollicitation dans la ferrite. En effet, les interfaces représentent les obstacles effectifs aux bandes de glissement selon les directions de laminage et transverse. Cependant, selon la direction 45°, ce sont plutôt les joints de grains (δ/δ ou ϒ/ϒ) qui jouent le rôle d’obstacles. En raison de nombreux systèmes de glissement présents dans la structure cubique centrée, les joints de grains δ/δ sont moins efficaces comme obstacles comparés aux interfaces et aux joints de grains ϒ/ϒ [31]. Cette efficacité diminuée peut également s’expliquer par la nature moins désorientée des joints de grains δ/δ. Ceci est un élément supplémentaire d’anisotropie qui pourrait, en le combinant avec la texture, prédire correctement le comportement mécanique de la ferrite selon la direction 45°.

Figure 1-23 : Bandes de glissement apparues au niveau de la surface des échantillons déformés par les essais de traction selon les directions : (a) : Direction de laminage (RD), (b) :

45° et (c) : Direction transversale (TD), LD : Direction de chargement, Slip lines

Il est rapporté dans le travail de Hutchinson et al [25] que des études menées sur les aciers duplex sous forme de tube ont montré la même dépendance entre la résistance mécanique et la direction de sollicitation. Dans ce cas, l’anisotropie est attribuée au durcissement par la continuité de la seconde phase comme dans les matériaux composites.

Le deuxième aspect concerne l’influence de la fraction volumique des phases sur la réponse mécanique globale. L’augmentation du taux de ferrite dans l’acier duplex conduit à l’augmentation de sa limite d’élasticité. Cette conséquence est justifiée par le fait que les aciers ferritiques ont habituellement une limite d’élasticité supérieure à celle des aciers austénitiques. Cependant, cette différence de comportement entre les deux phases demeure vraie avec une composition chimique en éléments d’alliages équivalente entre les deux phases. Il a été mentionné auparavant que la tendance actuelle est de concevoir des aciers duplex riches en azote. En raison de cette tendance, l’austénite pourrait présenter une résistance mécanique plus élevée en raison du durcissement de l’azote en solution solide. [27– 30]