Controverse sur la transformation bainitique en lattes

III.1.1. Théorie « diffusionless »

III.1.1.1.Principe

Cette théorie suppose que la bainite germe sous la forme de sous-unités de ferrite sans diffusion (« diffusionless ») à partir de l’austénite à l’instar de la martensite. Les unités sont alors sursaturées en éléments interstitiels (en carbone, le plus couramment). Dans un second

temps, intervient la partition de ces éléments de la ferrite vers l’austénite du fait des températures de transformation élevées. La sursaturation en carbone dans la ferrite diminue

donc rapidement avec le temps. Pour les autres éléments d’alliages substitutionnels, comme le

manganèse, le nickel ou le silicium, on considère que toutes les réactions ont lieu en condition de paraéquilibre (partition du carbone ou précipitation des carbures par exemple).

Le carbone peut alors soit précipiter sous forme de carbures dans l'austénite et dans les sous-unités si la température est basse comme dans le cas des bainites dites inférieures, soit enrichir et stabiliser l'austénite si des éléments inhibiteurs de la précipitation de la cémentite (silicium et/ou aluminium) sont présents en quantité suffisante.

Sur cette base, un modèle de mécanisme de formation a été proposé par Takahashi et Bhadeshia [92]. δes auteurs supposent qu’il n’y a pas de différence fondamentale entre les

mécanismes de formation des deux bainites supérieure et inférieure, si on considère que la ferrite bainitique de départ est sursaturée en carbone. La température de transition pour passer

d’un mécanisme à l’autre est proche de γη0°C. Ce constat se base sur les travaux de Matas et Hehemann pour plusieurs aciers contenant entre 0.38% à 1% de carbone [93].

Dans cette théorie, l’augmentation de la fraction de bainite avec le temps est contrôlée

uniquement par une succession d’évènements de germination. Il n’y a pas de croissance à proprement parler. La figure I.23. représente schématiquement la compétition entre germination et partition du carbone. A hautes températures, germination de nouvelles sous-unités et désaturation en carbone se succèdent rapidement et expliquent les carbures

inter-lattes alors qu’à basses températures, la diffusion du carbone n’est pas assez rapide et les carbures précipitent à l’intérieur des lattes (produisant des carbures intra-lattes). On retrouve dans ce cas la classification morphologique de la bainite supérieure et inférieure telle que proposée par Mehl et al [9].

Les défenseurs de la théorie « diffusionless » considèrent que la croissance d’un bloc (« sheaf ») bainitique se fait par germination et croissance successive de sous-unités et donc

des lattes. δa vitesse moyenne de croissance d’un bloc est donc limitée par celle des

sous-unités, qui est très rapide. Bhadeshia a montré qu’elle est nécessairement plus rapide qu’une croissance contrôlée par la diffusion de carbone à l’interface ferrite/austénite [94].

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Fig.I.23 : Formation des bainites supérieure et inférieure montrant la répartition du carbone entre les phases et la localisation de la précipitation des carbures selon [92].

III.1.1.4. Phénomène de réaction incomplète

Cette première famille de modèle a l’avantage de pouvoir expliquer simplement pourquoi

certaines transformations bainitiques peuvent s’arrêter précocément. On parle alors de « stasis » ou de transformation incomplète. C’est un mécanisme qui touche principalement les

transformations bainitiques sans carbure (classe BI de Ohmori par exemple).

Dans le cadre de cette théorie, le facteur limitant la transformation bainitique est la teneur en carbone dans l'austénite. L'austénite s'enrichit en carbone au fur et à mesure que les sous-unités de ferrite bainitique se forment. Celles-ci possèdent la même teneur en carbone que

l’austénite parente lors de leur formation. Donc les nouvelles sous-unités seront formées à partir d'une austénite de plus en plus riche en carbone. Toutefois, la formation des sous-unités de ferrite bainitique étant un mécanisme dissipatif, elle requiert que les énergies libres de Gibbs des sous-unités soient inférieures à celle de l'austénite dans laquelle elles se forment. La figure I.24.a décrit la séquence de formation des sous-unités de bainite selon Bhadeshia. Il existe ainsi une solubilité en carbone dans l'austénite au-delà de laquelle une transformation sans changement de composition devient inopérante. Bhadeshia a conceptualisé cette approche par la courbe T₀ [6]. Il s'agit de reporter pour chaque température considérée la valeur de concentration en carbone pour laquelle la ferrite bainitique et l'austénite ont la

même enthalpie libre de Gibbs. Elle définit ainsi la solubilité en carbone de l’austénite

maximale dans le cadre d'une transformation displacive. Bhadeshia a également introduit la courbe T₀' qui est définie de manière similaire à la courbe T₀ mais corrigée par l'énergie de déformation élastique due à la formation de ferrite bainitique. La figure I.24.b illustre la construction des courbes T0 et T0' où à chaque température de transformation Ti on associe la valeur du taux de carbone correspondante à l’intersection des deux courbes d’énergie libre de Gibbs Gαb/Gαb+strain (ferrite bainitique/ferrite bainitique et énergie élastique) et G

(austénite).

Au-delà de cette composition en carbone, d’après cette théorie, aucune germination n’est

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carbures, la structure finale est constituée de lattes de ferrite et d’austénite résiduelle enrichie en carbone. En pratique, la précipitation du carbure n’est que retardée par des éléments

d’alliage comme le silicium ou l’aluminium et l’austénite enrichie finit toujours par se décomposer en ferrite et en cémentite aux temps longs. Ce mécanisme correspondrait au stade II du revenu de la martensite par exemple.

(a) (b)

Fig.I.24 : (a) Illustration schématique de la séquence de formation de la bainite (b) Construction schématique des courbes T0 et T0'. Figures tirées de [6].

III.1.2. Théorie diffusive

III.1.2.1. Principe

δ’école "diffusive" considère par contre que la transformation bainitique se déroule

principalement comme une transformation ferritique classique (germination / croissance) avec toutefois une déformation de transformation par plan invariant (comme dans le cas de la

ferrite de Widmanstätten) et que transformation de phase et partition du carbone à l’interface

austénite/ferrite ont lieu simultanément.

Les pionniers de la théorie diffusive considèrent la germination de la ferrite bainitique dans le cadre de la théorie classique de la germination [89]. Quidort et Bréchet ont ainsi montré par des observations expérimentales que la densité de germes diminue avec la température [95], ce qui est en contradiction avec la théorie de la germination displacive où la densité de germination augmenterait lorsque la température diminue (augmentation de la force motrice). Les défenseurs de la théorie diffusive estiment ainsi que le facteur limitant la germination de la ferrite bainitique est la diffusion du carbone aux joints de grains austénitiques [96].

La théorie diffusive ne décompose pas la formation d'un bloc (« sheaf ») bainitique en étapes distinctes. Les sous-unités se forment également aux joints de grains austénitiques. La croissance de ces sous-unités se fait ensuite par l'avancée de l'interface austénite/ferrite [96].

Pour les températures de transformation peu élevées, c’est-à-dire dans le domaine de la bainite inférieure, le carbone reste en partie piégé dans la ferrite bainitique comme le montre la configuration (d) de la classification d’Aaronson. δa vitesse de croissance est donc

41 En règle générale, des conditions de paraéquilibre s'appliquent au niveau du front de transformation [89]. Ainsi, seul le carbone partitionne à l'interface alors que les concentrations en atomes substitutionnels sont alors égales de part et d'autre de l'interface. Toutefois, plusieurs études ont mis en évidence un effet « solute-drag » de certains atomes substitutionnels comme le nickel [95, 97], c’est-à-dire que certains éléments peuvent diminuer

la mobilité de l’interface considérée.

IIII.1.2.1. Phénomène de réaction incomplète

δes auteurs de l’approche diffusive considèrent que le phénomène de réaction incomplète n'est pas propre à la transformation bainitique mais est dû aux effets des éléments d'alliage comme le nickel ou le manganèse par exemple qui présente un fort effet de "solute drag" [92,98].

D’autres approches expliquent ce phénomène par une dissipation des forces motrices à

l’interface austénite/ferrite. Dans ce sens, les travaux récents de Hutchinson et al. [99] montrent que « l’arrêt » de la transformation est contrôlé par la diminution de la teneur en

carbone à l’interface à cause demécanismes dissipatifs dans l’interface.

Bouaziz et al. [100] ont proposé un autre mécanisme physique pour expliquer le phénomène de réaction incomplète. Cette explication est basée sur la déformation plastique de l'austénite accompagnant la transformation. Ils considèrent que le changement de volume accompagnant la transformation bainitique est accommodée par la déformation plastique de l'austénite. Le travail lié à cette déformation augmente donc au fur et à mesure que se forme la ferrite bainitique, mais aussi à mesure que l'austénite s'enrichit en carbone. Il est alors important de

prendre en compte que l’énergie de déformation plastique de l'austénite est une source non

négligeable de dissipation pour les forces motrices. Il est ainsi possible d'établir une limite qui correspond à l'instant où la totalité des forces motrices ont été dissipées, ce qui signifie par conséquent l'arrêt de la transformation de phase.

Cette dernière approche est intéressante car elle montre que les termes thermochimiques seuls ne sont peut-être pas suffisants pour appréhender la nature complexe de la bainite. Les défauts constitutifs (dislocations, joints et sous-joints) jouent aussi un rôle important que nous allons discuter dans cette thèse.