Les aciers inoxydables duplex sont des alliages biphasés, constitués de ferrite cubique centrée et d’austénite cubique à faces centrées en proportions à peu près égales. Le comportement mécanique de cette famille d’acier inoxydable est caractérisé par une limite d’élasticité supérieure à celle des aciers austénitiques et ferritiques. Cette différence est due à un effet de Hall-Petch. La taille caractéristique de la microstructure dans le cas des aciers duplex est plus faible en raison de leur structure biphasée qui constitue un obstacle à la croissance de grains. De plus, leurs propriétés de résistance dépendent fortement de la direction de sollicitation. Ce caractère anisotrope du comportement mécanique est lié à des considérations cristallographiques au lieu d’un effet de topologie lié à la présence des deux phases.
Les différents traitements thermomécaniques appliqués sur les aciers duplex à l’échelle du laboratoire et industrielle ont pour but d’améliorer leurs propriétés mécaniques, et de réduire le caractère directionnel de leur comportement mécanique. La comparaison entre les microstructures issues de ces traitements révèle des modifications au niveau de la morphologie et la cristallographie des phases. D’une manière générale, lors du recuit final, la phase ferrite restaure beaucoup, puis recristallise par le mécanisme de croissance anormale de sous-grains alors que la phase austénite subit une recristallisation. Les textures développées dans ces microstructures sont celles correspondantes aux structures cubique centré et cubique à faces centrées après laminage. La modification cristallographique est marquante dans le cas de la ferrite. Par exemple, la microstructure issue du procédé industriel présente une phase ferrite avec une forte intensité de l’orientation cube tournée {001} <100>. L’austénite est la phase qui se déforme plastiquement en premier dans le cas des aciers duplex. Ce comportement est lié à la différence de limite d’élasticité entre les deux phases et à la nature des contraintes résiduelles engendrées suite aux traitements d’élaboration. Généralement, les aciers austénitiques présentent une limite d’élasticité plus faible que celle
des aciers ferritiques avec une composition chimique en éléments interstitiels équivalente ce qui permet de considérer l’austénite comme étant la phase molle de l’alliage. Néanmoins, avec la tendance actuelle de concevoir des nuances d’acier duplex chargées en azote, la phase austénite peut avoir une limite d’élasticité supérieure à celle de la phase ferrite tout en se plastifiant en premier. Dans ce cas, les contraintes résiduelles de traction développées dans la phase austénite suite à l’élaboration expliquent ce comportement. L’écrouissage de la phase austénite est plus important que celui de la phase ferrite en raison de sa basse énergie de faute d’empilement. Cette dernière est à son tour fortement dépendante de la teneur en azote qui a tendance à la diminuer. Ces deux facteurs conduisent à l’inversement du rapport de résistance mécanique entre les deux phases lors de la déformation plastique.
Les structures des dislocations développées dans les deux phases de l’acier duplex sont fonction du taux de déformation et de la phase au sein de laquelle elles se forment. A faible et moyenne déformation, les lignes de glissement apparues dans la phase austénite sont parallèles entre elles traduisant le mécanisme de glissement planaire, typique aux matériaux cubiques à faible énergie de faute d’empilement. Dans le cas des aciers leanduplex et superduplex, ce mécanisme est observé également à forte déformation. Dans le cas de la ferrite, le mode de déformation dépend non seulement du degré de déformation mais des relations d’orientation dans la structure duplex. Il est connu que les aciers duplex développent des relations d’orientation de type K-S ou N-W. Par conséquent, à faible taux de déformation, il peut y avoir soit un transfert de glissement vers la ferrite lorsque la relation d’orientation le permet. Ce mécanisme se manifeste par une continuité de lignes de glissement provenant des grains austénitiques adjacents. Sinon, il peut y avoir une émission de dislocations au niveau des interfaces lorsque l’orientation est aléatoire. Le premier mode de glissement favorise la concentration de la déformation alors que le second mode, désigné par le glissement dévié, conduit à mieux répartir les dislocations, permettant une homogénéisation de la déformation. Plusieurs modèles ont été mis au point afin de déterminer le comportement des alliages biphasés. La philosophie de ces modèles consiste à considérer que le comportement global est la contribution du comportement individuel de chaque phase associée à leur interaction. Des techniques expérimentales et des modèles théoriques ont été développés dans le but de déterminer expérimentalement ces deux composantes du comportement mécanique global.
Par ailleurs, la plasticité cristalline permet de prendre en considération l’effet de la texture cristallographique développée dans la structure duplex sur son écoulement plastique.
Dans la suite de ce travail, les propriétés mécaniques macroscopiques de l’acier superduplex 2507 et sa texture seront déterminées grâce à l’essai de traction et la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés. De plus, les propriétés des phases seront caractérisées de deux manières différentes. La première s’effectue à l’échelle macroscopique grâce à la caractérisation mécanique par traction des matériaux monophasés représentatifs des phases de l’acier superduplex. La seconde s’effectue à l’échelle microscopique en utilisant les techniques d’indentation et de traction in situ. Ces deux techniques permettent de mesurer la résistance mécanique des phases et la distribution de déformation. Enfin, les techniques de diffraction par rayon X offrent la possibilité de caractériser l’interaction entre les phases grâce à la mesure des contraintes résiduelles lors de la déformation plastique par traction. Une étude numérique basée sur la plasticité cristalline utilisera ces différentes caractérisations dans le but de déterminer l’influence de chaque paramètre microstructural sur la réponse mécanique de l’acier superduplex 2507.
2 Chapitre 2 : Matériaux étudiés,
préparation et méthodes de
caractérisations
Dans ce chapitre, l’accent sera mis, en premier temps, sur la présentation du matériau étudié : un acier inoxydable de la famille duplex. La suite est consacrée aux techniques de caractérisations topologique, cristallographique et mécanique. Une attention particulière sera accordée à la méthodologie suivie pour décrire la topologie des différentes microstructures élaborées par la suite.
Etant donné que l’acier étudié est un matériau biphasé, la connaissance du comportement mécanique de chacune des phases ferritique et austénitique est primordiale. Le dernier point de ce chapitre détaille donc les traitements thermomécaniques utilisés pour obtenir des matériaux monophasés représentatifs de chacune de ces phases