Essais de dilatométrie sous contrainte

Le phénomène de plasticité de transformation est un mode de déformation spécifique se produisant

lors d’un changement de phase sous contrainte mécanique inférieure à la limite d’élasticité de la phase

mère. Les essais réalisés pour quantifier ce phénomène consistent à appliquer une contrainte

constante pendant la transformation de phase. La déformation après la transformation de phase sous

contrainte est ensuite comparée à celle d’un essai de dilatométrie libre. La modélisation de la plasticité

de transformation en traction uniaxiale peut être exprimée par l’équation (4.9) :

zz

(z) z

P T P T

z z

K

     ^(4.9)

Avec K

PT

le coefficient de plasticité de transformation,

𝜙(𝑧) une fonction normalisée (𝜙(0) = 0 𝑒𝑡 𝜙(1) = 1),

z la fraction volumique de phase formée,



zz

la contrainte appliquée.

Sous une contrainte constante, l’intégration de l’équation (4.9) conduit à l’équation (4.10) où 𝜙(𝑧) =

1 lorsque la transformation de phase est complète, permettant d’estimer de manière simple le

coefficient K

PT

.

z z

(z )

P T P T z z

K

    (4.10)

Pour les essais réalisés, la déformation a été mesurée à l’aide d’un extensomètre diamétral. La relation

entre déformation diamétrale et déformation axiale est donnée par l’équation (4.11) à partir de

l’hypothèse d’isotropie ( PT PT)

rr



  _{et d’isochorie} (Tr( ) 0)PT 

 ^{de la composante plastique.}

1

2

PT PT zz 

    (4.11)

Le cycle thermique imposé aux éprouvettes comprend un chauffage au-dessus de Ac3 puis un maintien

pendant 60s. Au cours du refroidissement, avant le début de la transformation une force générant une

contrainte est appliquée. Pour limiter le nombre d’essais, une même éprouvette est utilisée pour

différents niveaux de contrainte appliqués par ordre croissant puis un dernier cycle est mené à

contrainte nulle afin de vérifier que la courbe de dilatométrie libre (obtenue dans les mêmes conditions

opératoires) n’est pas modifiée.

4.8.1 Plasticité de transformation au refroidissement

Programme expérimental

Pour l’étude de la plasticité de transformation associée à la transformation de l’austénite vers la

bainite, la température d’austénitisation est de 900 °C, l’effort est appliqué entre 550 °C et 368 °C, la

vitesse de refroidissement contrôlée est de 3 °C.s

-1

avant la transformation puis laissée libre jusqu’à la

fin de l’essai. Trois niveaux de contrainte ont été testés pour le premier essai : 30, 60 et 80 MPa. Pour

le second essai, les niveaux étaient de 30 (essai doublé pour la répétabilité), 50 et 70 MPa. Les courbes

de dilatométries obtenues ainsi que la courbe de dilatométrie libre (présentées Figure 4.21) ont permis

de quantifier le phénomène de plasticité de transformation. Pour mieux interpréter ce phénomène, le

signal dilatométrique a été translaté par un offset sur les déformations pour que les courbes soient

confondues pour T = 600 °C. Pour des températures supérieures à 600 °C la reproductibilité est bonne,

laissant supposer des états austénitiques proches entre les cycles. Lors de ces essais, la transformation

bainitique n’est pas complète puisqu’il est possible d’observer l’apparition d’une transformation

martensitique vers 370 °C. Cet aspect sera à prendre en compte lors de l’estimation du coefficient de

plasticité de transformation.

Pour la phase martensitique, la procédure utilisée est similaire à celle décrite précédemment, la

température d’austénitisation est de 1200 °C, l’effort est appliqué entre 437 °C et 320 °C, la vitesse de

refroidissement contrôlée est de 2.5 °C.s

-1

avant la transformation puis laissée libre jusqu’à la fin de

l’essai. Trois niveaux de contrainte ont été testés pour le premier essai : 29, 44 et 75 MPa. Pour le

second essai, trois niveaux de contraintes de 29 (essai doublé pour la répétabilité), 57 et 87 MPa ont

été considérés.

De la même manière, les courbes sont recalées pour T = 600°C (Figure 4.22). Ici aussi, pour une

température supérieure à 450 °C, les allures des courbes sont proches les unes des autres. On

remarque également que l’application d’une contrainte pendant la transformation modifie la réponse

en déformation au cours de la transformation. Pour ces essais une seule transformation de phase est

observée.

Ces graphiques ont permis d’observer que la déformation lors du changement de phase était

influencée par la contrainte. Les valeurs de la déformation plastique à la fin de la transformation sont

alors tracées en fonction de la contrainte appliquée (respectivement en Figure 4.23 et Figure 4.24 pour

les transformations bainitique et martensitique). Cette déformation résiduelle peut être considérée

comme proportionnelle à la contrainte appliquée pour les faibles niveaux de chargement.

4.8.2 Calcul des coefficients de plasticité de transformation

La transformation bainitique n’étant pas complète, il est nécessaire pour identifier le coefficient de

plasticité de transformation du modèle de connaitre la proportion de phase formée. L’exploitation de

la courbe de dilatométrie libre donne une proportion de bainite de 0,76. Pour le calcul de 𝐾 cf.

équation (4.12), la fonction 𝜙(𝑧) = 𝑧(2 − 𝑧) utilisée est celle proposée par (Desalos, 1981). Dans le

cas de la transformation martensitique, la transformation étant complète, le calcul du coefficient 𝐾

est défini par l’équation (4.13). Les valeurs de 𝐾^∗ et de 𝐾^∗ étant obtenues à partir des coefficients

directeur des droites de régression tracées en Figure 4.23 et Figure 4.24. Les valeurs des coefficients

de plasticité de transformation sont données dans le Tableau 4.5.

*

2

(0,76)

PT AB AB

K

K



  (4.12)

*

2

P T A M A M

K   K (4.13)

𝐾 [MPa

-1

]

CONFIDENTIEL

𝐾 [MPa

-1

]

Tableau 4.5 : Coefficients de plasticité de transformation

Cette partie a permis de mettre en évidence l’effet de l’application d’une contrainte au cours d’une

transformation métallurgique sur l’évolution de la déformation. Cette étude a permis d’identifier, pour

les deux transformations susceptibles de se produire lors du refroidissement, les coefficients de

plasticité de transformation. Ces valeurs peuvent être utlisées pour le calcul des contraintes générées

par une opération de soudage.

Figure 4.23 : Evolution de la déformation de

plasticité de transformation selon la charge

appliquée pour la transformation bainitique

Figure 4.24 : Evolution de la déformation de

plasticité de transformation selon la charge

appliquée pour la transformation martensitique

Dans le document Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse : application à un acier de construction navale (Page 118-122)