Influence de la transformation de phase martensitique sur le

Le comportement mécanique complexe des aciers inoxydables austénitiques offre de nombreuses voies, à l'échelle microstructurale, pour déclencher la transformation de phase induite par déformation. En observant les structures obtenues à différents taux de déformations par microscopie électronique à transmission, Shen et al. [Shen et al. - 2012] ont pu définir la séquence des mécanismes de déformation d'un acier 304L par des essais de traction à température ambiante (Figure 1.12). Pour des taux de déformations faibles (< 20%), l'accommodation sera réalisée par la création de dislocations (Ds), de fautes d'empilements (SFs) puis de martensite ε. Il est à noter que la création de dislocations est le premier mécanisme de déformation activé au cours de la déformation et c'est à partir de 10 % de déformation que les fautes d'empilements, et la martensite ε qui en découle, se forment. Cette observation implique que la martensite ε est une phase induite par la déformation. Pour un taux de déformation supérieur, le maclage ("Twins" en anglais) interviendra et la martensite α' sera formée pour des taux de déformation supérieure à 30 %. Finalement la martensite ε sera complètement transformées et seules des dislocations, des macles et de la martensite α' seront observables pour des taux de déformations élevés (> 55 %).

Figure 1.12 Mécanismes de déformations observés lors d'un essai de traction sur un alliage 304 à température ambiante [Shen et al. - 2012] avec SFs pour les fautes d'empilement, ε et α' pour les martensites ε et α'

et Twins pour les macles

Considérant que l'austénite et la martensite ne possèdent pas les mêmes caractéristiques mécaniques, les comportements en traction uniaxiale seront aussi influencés par la transformation de phase. La Figure 1.13 présente les résultats de tractions axiales obtenues par Park et al. [Park et al. - 2011] sur un acier 304L pour différentes températures et une vitesse de déformation de 1,6.10-4 _s-1_.

Le comportement de l'alliage 304L à température ambiante est typique d'un essai de traction conventionnel avec un domaine élastique puis une étape d'écrouissage plastique en amont de la rupture. Cependant, la formation de martensite α' est fortement probable au sein de l'alliage 304L à température ambiante mais celle-ci sera principalement induite par la déformation. De ce fait, la transformation martensitique prend par à la déformation plastique en augmentant le taux d'écrouissage et aucune étape de durcissement secondaire n'est visible. Lorsque la déformation est réalisée à basse température, une seconde étape d'écrouissage intervient vers 10% de déformation permettant d'augmenter considérablement la résistance à

la traction. Cette sensibilité à la température est directement liée à la formation de martensite lors de la déformation. En effet, en baissant la température, l'énergie nécessaire pour induire la transformation de phase diminue et une fraction plus importante de martensite α' sera générée. Néanmoins, dans ce cas, la martensite α' ne sera pas uniquement induite par la déformation plastique. Elle pourra aussi être assistée par la contrainte, permettant ainsi de créer une seconde étape d'écrouissage d'autant plus importante que la température est basse. Il est à noter qu'une légère baisse de la contrainte est observable une fois la limite élastique dépassée. Ce phénomène "d'adoucissement" est causé par la formation de la phase ε, déjà reporté par Olson [Olson - 1984], pour les matériaux de faibles EFE [Datta et al. - 2009]. Une baisse d'élongation est cependant à noter lorsque les températures utilisées deviennent très basses (< -120 °C).

Figure 1.13 Courbes de traction uniaxiale réalisées sur un acier 304L à température ambiante et sous

conditions cryogéniques [Park et al. - 2011]

Une différence de limite élastique peut être observée entre le matériau de la Figure 1.12 et ceux de la Figure 1.13, ~300 MPa versus ~650 MPa. Ceci est fort probablement dû au fait que le matériau ayant une limite d'élasticité plus faible est à un état restauré avec une

-163 °C

-140 °C -120 °C

-50 °C 20 °C

microstructure recristallisée tandis que ceux de plus hautes limites d'élasticité soient écrouis par le procédé de mise en forme (tréfilage).

Le comportement des aciers austénitiques métastables peut alors se résumer en traçant l'évolution de la résistance à la traction et de l'allongement à rupture en fonction de la température de sollicitation (Figure 1.14). Globalement, une baisse de température n'induit presque aucune variation de la limite élastique mais permet une nette amélioration de la résistance à la traction. L'allongement à rupture atteint un maximum entre Ms et Md30,

influencé par la formation de martensite. Ce phénomène est expliqué en partie par la sélection de variant intervenant durant la transformation de phase. Si la température est proche de Md30, les variants formés seront principalement ceux préférablement orientés pour

accommoder la déformation [Nishiyama - 1978], résultant en une augmentation de l'allongement. Au contraire, si la température est proche de Ms, la transformation induite

thermiquement favorisera un plus grand nombre de variants. Ces derniers ne seront donc pas forcément orientés de manière privilégiée pour la déformation et seront donc plus difficile à déformer, entraînant une diminution de l'allongement à rupture. Tsuchida et al. [Tsuchida et al. - 2011] proposent que ce phénomène soit attribué au retardement de l'apparition de la striction grâce à un fort taux d'écrouissage par la formation continue de martensite α'.

Figure 1.14 Évolution de la résistance à la traction, de l'allongement à rupture et de la limite élastique en fonction de la température

Les aciers inoxydables austénitiques, étant sensibles à la température de déformation du point de vue des mécanismes activés, sont donc des matériaux particulièrement adaptés pour procéder à des essais de déformation à température cryogénique. En plus de présenter une bonne ductilité sous conditions cryogéniques, les différents types de défauts d'accommodation formés sous déformation plastique associés à la transformation martensitique forment une combinaison de processus intéressant à étudier lorsque l'on cherche à produire un affinement structural sous déformations plastiques sévères.

1.2 Déformation plastique sévère et affinement des structures